Batterie ABC

Grundlage eines jeden Wohnmobils mit zum Teil autarker Stromversorgung sind die Energiespeicher, kurz Batterie genannt. Landläufig sind die so genannten Nass-Starterbatterien bekannt. Diese kommen am häufigsten in Fahrzeugen aller Art vor, wie der Name schon sagt, zum Starten des Motors. In den letzten Jahren haben sich auch geschlossene so genannte wartungsfreie Batterien in Nass- und Trockenausführung durchgesetzt.

Es gibt grundsätzlich drei verschiedene Batterie-Bauarten, die noch in Untergruppen aufzuteilen sind.^Wenn wir als erstes auf die Nass-Starterbatterie eingehen wollen, sind vorher noch einige Erklärungen betreffend dem Starten eines Fahrzeuges, insbesondere Dieselmotoren nötig.

Wenn wir nach Fahrten mit einem Dieselfahrzeug den Motor abstellen (einen funktionierenden Alternator vorausgesetzt), ist die Batterie praktisch zu 100 % geladen. Starten wir nun den kalten Motor mit dem Anlasser, so wird ein sehr hoher Anlassstrom benötigt, den die Batterie zur Verfügung stellen muss. Dieser beträgt je nach Motorgrösse 200 - 500 Ampère. Bei älteren Fahrzeugen ist teilweise noch eine stromfressende Vorglühung notwendig, die die Batterie noch mehr belastet.

Bei gesunden, richtig dimensionierten und geladenen Batterien ist dies kein Problem. Wenn wir nun einmal vergessen das Licht vom Fahrzeug abzuschalten und nach drei bis vier Stunden das Fahrzeug starten möchten, ist dies meistens nicht möglich, obwohl der entnommene Strom aus der Batterie einem Bruchteil des Anlasser-Startstromes entspricht.

Jetzt stellt sich jeder die Frage warum das so ist. Dies hängt mit der Konstruktion einer Starterbatterie zusammen. Die Starterbatterien haben dünne Bleiplatten im Innern um eben hohe Ströme für den Anlasser bereitzustellen. Obwohl nach einem Startvorgang die Spannung an einer gut geladenen/dimensionierten Batterie nicht erheblich sinkt, wird im Beispiel vom Licht ausschalten vergessen nach vier Stunden die Spannung so tief sein, dass die Batterie keinen genügenden Startstrom zur Verfügung stellen kann.

Dies lässt sich rein theoretisch rechnerisch nachweisen und zwar wie folgt:

Amperestunden werden berechnet indem man den Stromverbrauch (Ampere) mal Zeit (Std.), in der Strom verbraucht wird, multipliziert.

Nehmen wir an, unser Anlasser nimmt einen Strom von 400 Amp. und wir müssen den Anlasser 10 Sekunden betätigen, so ergibt dies:
                                          400 Ampere  x  10 Sekunden   =   1.1 Amp/h
                                                            3'600

Bei einer Batteriekapazität von 80 Amp/h ergibt diese eine theoretische Restkapazität von 78.9 Amp/h.

Vergessen wir nun das Licht auszuschalten, so sind dies im Normalfall:

Alle Standlichter + Abblendung = ca. 200 Watt, geteilt durch die Spannung von 12 Volt = 16.6 Ampere, die der Batterie während vier Stunden entnommen werden. Dies ergibt wiederum 16.6 Amp. x 4 Std. = 66.4 Amp/h verbrauchte Energie, d. h. die Restkapazität beträgt nun noch theoretische 13.6 Amp/h und dies reicht in keinem Fall für einen Startvorgang. Obwohl der Strom einen 24igsten Teil des Startstromes ausmacht, ist die Batterie trotzdem entladen.

Fazit aus diesem Beispiel ist, dass die zur Verfügung stehende Batterieleistung (Amp/h) von zwei Faktoren abhängt, nämlich Strom in Ampere und die Zeit in Std.

Die Batterieindustrie hat in den letzten Jahren einen sehr grossen Schritt in der Entwicklung gemacht, d. h. es sind heute für verschiedene zwecke Batterien auf dem Markt, die unterschiedliche Bauarten aufweisen. Diese werden wir uns etwas genauer ansehen. Ich verzichte hier bewusst auf chemische Abhandlungsprozesse, welcher in einer Batterie beim Laden und Entladen entstehen.

Bauart 1 ist die oben erwähnte Nass-Batterie die in zwei Gruppen aufzuteilen ist, und zwar:

1A, die reine Starterbatterie mit dünnen Bleiplatten um hohe Ströme für Anlasser und bau-artverwandte Motoren z. B. elektrische Hydraulikpumpen usw. generieren zu können.

Diese Batterietypen sind günstig im Preis und relativ leicht, sind aber ungeeignet für Kleinverbraucher (Beleuchtung/TV usw.), da sie mit kleinen Strömen auf längere Zeit schnell an Spannung verlieren. Ein weiterer Nachteil dieser Batterien ist, dass sie kleine Ladeströme z. B. von Solaranlagen nicht effizient in Kapazität umwandeln.

1B sind ebenfalls Nass-Batterien, aber als HD oder Solar Batterien bezeichnet. Diese haben dickere Bleiplatten im Innern. Sind im Preis (durch den höheren Bleianteil) deutlich teurer und logischerweise auch schwerer.

Diese Batterien sind gebaut um kleine Ströme auf längere Zeit abzugeben ohne dass die Spannung stark abfällt. Sie sind auch im Stande kleine Ladeströme in effektive Kapazität umzuwandeln; also als Wohnraum-Batterien gut geeignet. Dürfen aber wegen der offenen Bauweise (entweichende Gase beim Laden) nicht in Wohnräumen platziert werden. Ausser man hat Batterien, die mit einer so genannten Zentral-Entgasung (ersichtlich am Schlauchstutzen links und rechts) ausgerüstet sind wo der Schlauch ins Freie geführt werden kann.

Übrigens zerstören diese so genannten Knallgase alle Textilien und Schaumstoffe. Zudem kann das Knallgas bei entsprechender Mischung mit Sauerstoff und einer Funkenbildung, z. B. eine auslösende Schmelzsicherung, eine Batterie zum Explodieren bringen. Ist der Batterieraum noch so gebaut dass der entstehende Druck der explodierenden Batterie nicht atmosphärisch entweichen kann, so sind schon metergrosse Löcher in Boden oder Wände gerissen worden.

Wer dies schon einmal erlebt hat oder die Folgen gesehen hat, wird nie eine Nass-Batterie im Wohnraum einbauen oder dulden. Zusammenfassend ist ersichtlich, dass der Batterietyp 1A durch kleine Verbraucherströme schnell entladen ist und auch schneller zerstört wird; also die Lebensdauer sehr kurz ist. Im Gegensatz kann der Typ 1B kleine Ströme über längere Zeit ohne massive Senkung der Spannung abgeben. Auch die Lebensdauer ist sehr viel länger. Was aber für diesen Batterietyp nicht empfehlenswert ist, sind hohe Bezugsströme für Anlasser oder grosse Spannungswandler DC/AC (DC = Gleichstrom / AC = Wechselstrom) Diese zerstören die Batterie sehr rasch, d. h. die Lebensdauer bei hohen Strömen ist kurz.

Wir lernen nun daraus, dass Starterbatterien nicht geeignet sind als Wohnraum-Batterien und umgekehrt HD oder Solar-Batterien nicht für Startzwecke (hohe Ströme) verwendet werden sollten. Hieraus wird auch ersichtlich, dass das Verwenden der Starterbatterien in einem Fahrzeug als Wohnraum- und Starterbatterie gleichzeitig nicht empfehlenswert ist. Schon deswegen, weil zum Starten des Motors keine Kapazität mehr vorhanden ist.

Nass-Batterien sind auch wartungsaufwendig, d. h. der Flüssigkeitsstand ist gemäss Herstellerangaben peinlichst einzuhalten. Sichtbar trockene Zellen-Oberteile führen zu einer raschen Zerstörung. Bedingt deshalb einen gut zugänglichen Einbauort und sie sind nur stehend, also Deckel nach oben einbaubar.

Bauart 2 sind so genannte geschlossene oder auch Trocken-Batterien, nämlich GEL-Batterien. Diese Batterien haben keine Flüssigkeit mehr zwischen den Bleizellen sondern die Schwefelsäure wird in Gel gebunden, zu vergleichen mit Silikonmasse. Es sind auch hier wieder wie oben beschrieben zwei Typen erhältlich. Die einen zum Starten von Motoren und die anderen als HD- oder Solar-Batterien. Gut erkennbar am Gewicht (bei gleicher Kapazität ca. 20 - 25% mehr Gewicht).

Sehr grosser Vorteil dieser Batterien ist:

  1. Die geschlossene Bauart, also keine Gasung beim Laden. Können somit in Wohnräumen eingebaut werden.
  2. Sie sind lageunabhängig und können auch liegend eingebaut werden.
  3. Der wesentlichste Vorteil ist die hohe Zyklenfestigkeit (ich gehe am Schluss noch auf die Zyklenfestigkeit ein).

Leider sind Gel-Batterien bauartbedingt sehr teuer; Faktor zwei bis drei gegenüber Nass-Batterien.

Dafür haben diese Batterien auch eine hohe Lebensdauer von 6 - 8 Jahren, vorausgesetzt sie werden richtig geladen.

Bauart 3 sind auch geschlossene Batterien. Sie wurden im Zuge der Entwicklung zwischen die Nass- und Gel-Batterie gestellt, d. h. sie vereinen gewisse Vorteile von beiden Typen. Man nennt diese Fliess- oder AGM-Batterien. Sie können als Starterbatterien oder als HD-Batterien eingesetzt werden. Sie sind also in der Lage hohe und kleine Ströme ohne oben genannte Nachteile abzugeben. Natürlich erreichen sie nicht die hohe Zyklenfestigkeit (etwa die Hälfte) wie Gel-Batterien und auch die Abgabe von hohen Strömen ist nicht so wie bei Starterbatterien.

Sie sind auch lageunabhängig einbaubar, gasen nicht und sind ebenso wartungsfrei. Der Preis liegt auch etwa zwischen den Nass- und Gel-Typen, also etwa doppelt so teuer wie Nass-Batterien.

Nun kommen wir zum wichtigsten Thema von Batterien und zwar ist dies die Ladung.

Früher hatte man brummende, einfache Ladegeräte mit so genannten Selen-Gleichrichtern ohne Glättung der Restwelligkeit (Ober- und Unterwellenanteile der Sinuskurve vom 230 Volt Netz), so dass Wechselstromanteile in die Batterie flossen. Auch im Zuge der Batterieentwicklung wurde an der Effizienz der Bleiplatten gearbeitet, d. h. diese wurden immer mehr mit fremden Anteilen legiert um einerseits die chemischen Prozesse in der Batterie zu verfeinern und anderseits dem markant gestiegenen Bleipreis gerecht zu werden. Dies führt dazu, dass die alten und leider auch heute noch erhältlichen Ladegeräte für die neuen Batterien verwendet werden. Diese Ladegeräte gehören fachgerecht entsorgt und sollten für neue Batterien nicht mehr verwendet werden. Denn sie zerstören nachhaltig die Batterien und führen zu Kurzlebigkeit der Energiespender.

Um heute eine Batterie richtig zu laden, ist nicht nur ein Transformator und ein Gleichrichter notwendig, sondern es werden sehr hohe Anforderungen an die Ladegeräte gestellt. Ein gutes Ladegerät hat eine elektronische Regelung, die auch wirklich eine 100-prozentige Ladung der Batterie gewährleistet. Man nennt diese Regelung I/O/U/W. Dies entspricht einer Kennlinie nach DIN 41772.

Was bedeuten nun diese Kürzel. I ist die Abkürzung für Ampere, also für den Strom. O ist das Kürzel für eine automatische Änderung der Ladekennlinie. U steht für Volt und ist die Konstantspannungsladung, W bedeutet Ladung mit konstanter Leistung.

Eine entladene Batterie wird mit einem oben genannten Ladegerät wie folgt geladen:

Erster Schritt
Es wird mit maximalem Strom (abhängig von Batteriekapazität und Leistung des Ladegerätes) geladen bis die Batterie eine Kapazität von ca. 90 - 95% erreicht hat. Die Spannung liegt hier ca. 1 - 1.5 Volt unter der Erhaltungsspannung der Batterie.

Zweiter Schritt
Die Spannung wird erhöht und der Strom geht zurück. Diese Spannung ist abhängig vom Batterietyp und ist in jedem Fall höher als die Erhaltungsladung. Zum Beispiel bei einer Gel-Batterie sind hier 14.4 Volt unbedingt nötig um die Batterie 100 % zu laden, man nennt dies Gasungsphase.

Dritter Schritt
Nach Erreichen der 100 %-Ladung wird die Spannung auf die Erhaltungsspannung zurückgenommen z. B. auf 13.8 Volt. In dieser Phase kann die Batterie auch dauernd am Ladegerät angeschlossen bleiben.

Ich betone es hier nochmals eindringlich. Die Ladung der Batterien ist das Wichtigste um eine zufriedenstellende Energieversorgung zu erhalten.

Ein wichtiger Aspekt gilt noch zu berücksichtigen und zwar sind dies die maximalen Ladeströme für Batterien. Der maximale Ladestrom für Batterien sollte 25 - 30% der gesamten Kapazität nicht überschreiten. Hier ist ein weiterer Vorteil von Gel- oder AGM-Batterien, denn sie nehmen gar nicht mehr auf. Dies ist ein wichtiger Punkt bei grossen leistungsfähigen Alternatoren. Im Fahrzeug d.h. während der Fahrt ist der Alternator zuständig für die Ladung der Batterie, auf diesen Punkt werde ich eingehend im nächsten Boten berichten.

Jetzt noch zur Zyklenfestigkeit einer Batterie. Was ist ein Zyklus? Es stellt einen Ablauf dar und zwar ist dies bei einer Batterie eine Entladung und eine vollständige Ladung auf 100 %. Wenn also bei einer Batterie von 100 möglichen Zyklen gesprochen wird, entspricht dies 100 Entladungen und 100 Ladungen bis die Batterie merklich an Kapazität verliert, also zum Wechsel ansteht.

Bei Nass-Batterien, je nach Qualität sind etwa 250 bis 300 Zyklen zu erwarten. Bei AGM-Typen sind es ca. 300 bis 600 Zyklen. Und bei Gel-Batterien 500 bis 900 Zyklen. Hier wird die Lebensdauer der verschiedenen Batterie-Bauarten am besten ersichtlich. Aber auch hier noch einmal: nur eine optimale Ladekennlinie kann oben genannte Zyklen garantieren.

Wie werden Batterien gemessen und mit welchen Instrumenten.
Landläufig gilt das Voltmeter als das Messinstrument um Batterien als geladen oder entladen zu beurteilen. Selbst die Wohnmobilindustrie bedient sich dieses Instruments um den Kunden vorzugaukeln die Batterie sei geladen oder nicht.

Eine aussagekräftige Messung mit Voltmeter kann nur im Ruhezustand der Batterie gemessen werden, d. h. die Batterie muss mindestens 24 Stunden mit einem geeigneten Ladegerät geladen werden. Anschliessend wieder 24 Stunden ohne Ladung und Entladung ruhen. Danach kann mit einem präzisen Hochohmigen Voltmeter die Spannung gemessen werden.

Es gilt in der Regel: 12.80 Volt = 100%
12.55 Volt = 75%
12.30 Volt = 50%
12.20 Volt = 25%
12.00 Volt = 0%

Wir sehen hieraus, dass es unterwegs unmöglich ist die Batterieleistung zu bestimmen, es kann nur als Orientierung gelten. Für eine schnelle und genaue Messung sind weit mehr Faktoren mit einzubeziehen. Es setzt ein Gerät voraus, welches Strom, Spannung und Zeit berücksichtigt. Die heutigen guten Geräte arbeiten mit einer so genannten Shunt-Messung. Dies bedeutet: im Hauptmassekabel der Batterie wird ein niederohmiger Widerstand, Shunt genannt, eingebaut (muss für den höchstmöglichen Stromfluss ausgelegt sein), der den gesamten Lade- und Entladestrom misst. Der geringe Widerstand des Shunts erzeugt über den Anschlussklemmen eine kleine proportional zum Strom steigende oder sinkende Spannung im Milivolt-Bereich.

Diese Spannung ist im Ladezyklus positiv z. B. bei 150 Ampere beträgt die Messspannung +15 m/Volt. Beim Entladen mit gleichem Strom beträgt die Messspannung -15 m/Volt.

Diese beiden (positiven und negativen) Spannungen werden im Batterie-Controller zum Errechnen der vorhandenen oder verbrauchten Kapazitäten verwendet. In diesem Messzyklus wird auch die Spannung und die Zeit des Stromflusses miteinbezogen. So kann mit einer oder zwei Tasten rasch die verbrauchte oder noch vorhandene Kapazität abgelesen werden.
Bei guten Geräten wird noch der "Peukertsche Exponent" miteinbezogen, d. h. die Entladung einer Batterie mit kleinem Strom wird in der negativen Bilanz anders verrechnet als eine Entladung mit hohem Strom.

Der Vorteil dieser Messanlage ist, sie ist sehr genau. Die Verbindungsleitungen sind nur mit sehr kleinen Querschnitten auszuführen und praktisch spannungsverlustfrei.

Um eine Batterie als defekt oder nicht mehr brauchbar zu bestimmen, benutzen wir ein spezielles Messgerät, das den Innenwiderstand der Batterie in m/Ohm misst, d. h. kleiner Innenwiderstand = Batterie neu oder gut, grosser Innenwiderstand = Batterie alt oder defekt. Bei qualitativ guten Batterien sind diese Angaben in den technischen Daten hinterlegt z. B. Banner.
Die Angaben C 5, C 10 oder C 20 auf den Batterien nennt man Entladeraten. Sie beziehen sich auf die Entladezeit (C 5 = 5 Std. Entladung, C 10 = 10 Std. Entladung, usw.).

Ein Beispiel: Eine Batterie hat die Angaben 12 Volt 200 Amp/h C 20; dies bedeutet die Kapazität wird in 20 Stunden verbraucht sein. Dies entspricht einem Entladestrom von 10 Amp. in 20 Stunden. Wird der Batterie Strom von 20 Amp. entzogen so wird diese in 10 Stunden entladen sein.

Leider sind die Angaben von Amp/h auf den Batterien nicht vollständig nutzbar. Es gilt für Bleisäure-Batterien 50 % nutzbare Energie, bei Gel- und AGM-Batterien 70 %. Ein weiterer Vorteil der Gel- und AGM-Batterien. Denn bei den oben erwähnten erreichten Grenzkapazitäten ist die Spannung bei ca. 10.8 Volt angelangt; und da verweigern die meisten Geräte den Dienst.

Zur Auslegung von Batteriekapazitäten ist folgendes zu sagen. Eine richtige Auslegung der Batteriekapazität hängt von sehr vielen Faktoren ab. Es sind hier alle Verbraucher im Stromverbrauch (in Ampere) zu ermitteln und wie lange sie benutzt werden (Zeit in Std.). Im Weiteren ist festzulegen an wie vielen Tagen ohne Nachladung (ohne zu fahren und ohne Fremdenergie) Strom verbraucht wird. Dieser berechnete Wert wird mit 1.2 - 1.3 multipliziert.

Anschliessend ist festzulegen welche Batterietypen eingesetzt werden sollen. Erhält man eine berechnete Kapazität von z. B. 160 Amp/h so ist bei einer Gel- oder AGM-Batterie 230 Amp/h notwendig. Bei Nass-Batterien ist eine Gesamtkapazität von 320 Amp/h notwendig (nutzbare Energie von Gel-Batterien = 70% oder Nass-Batterien = 50 %). Die notwendige Kapazität kann reduziert werden, wenn z. B. tagsüber mit Solar oder Artverwandten Geräten nachgeladen wird.

Wird z. B. tagsüber mit einer 200 Watt Solaranlage in 6 Stunden 100 Amp/h produziert, so kann die Batteriekapazität um diesen Wert gesenkt werden, usw.

Um Freude am autarken Stromverbrauch zu haben ohne die lästigen und lärmigen Benzin- oder Dieselgeneratoren einzusetzen, ist eine gute Planung beim Ausrüsten der Wohnmobile mit elektrischen Verbrauchern Voraussetzung. Schon allein die heutige Beleuchtungstechnik mit LED ergibt viele Möglichkeiten, obwohl gegenüber Halogen-Niedervoltleuchtmitteln eine höhere Anzahl von LED-Leuchten notwendig ist, sinkt der Stromverbrauch markant. Die Zusammenschaltung von mehreren Batterien in Serie und der Parallelbetrieb wird im Teil 4 (Verkabelung/Querschnitte) eingehend beschrieben.

Verfasser : PWE Plüss Wohnmobilelektronik
Plüss Bernhard
Dipl. Fahrzeugelektriker/Elektroniker/Diagnostiker
Gummweg 112
CH-3612 Steffisburg
Mail: pluess.wt@bluewin.ch