Strom an Bord. Das vorliegende Heft beschäftigt sich mit der Stromversorgung an Bord von kleineren wie größeren Yachten.

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1 1 Strom an Bord Die Stromversorgung an Bord von Yachten spielt eine immer größere Rolle, nicht zuletzt wegen der Navigationsausrüstung. Zum Glück haben wir inzwischen einen derart hohen Standard in der Technik erreicht, dass Strom an Bord keine Kopfschmerzen mehr verursachen muss. Immer mehr elektrische Verbraucher werden eingebaut und auch genutzt. Das Betreiben einer Tiefkühltruhe an Bord ist selbstverständlich geworden, und es scheint, dass das Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht ist. Heutzutage können neben der bootsspezifischen Ausrüstung auch sämtliche nur vorstellbaren Haushaltsgeräte auf größeren Booten eingesetzt werden. Das vorliegende Heft beschäftigt sich mit der Stromversorgung an Bord von kleineren wie größeren Yachten. Wir hoffen, dass damit die Materie denen nahe gebracht wird, die sich mit der Energieversorgung an Bord entweder professionell oder als Bootseigner beschäftigen. Darüber hinaus wünschen wir uns, dass das im Text vorgestellte Gleichstrom-Konzept dazu beitragen wird, die Zuverlässigkeit der Systeme insgesamt zu erhöhen und Gewicht und Umfang der Stromerzeuger an Bord verringern zu helfen. Allzeit gute Fahrt wünscht Reinout Vader

2 2 Copyright 2000 Victron Energy B.V. All Rights Reserved. Der Nachdruck dieser Veröffentlichung sowie einzelner Teile, ist in jeglicher Form und mit jedweder Methode verboten. EINE HAFTUNG DES AUTORS ODER VON VICTRON ENERGY B.V. UND SEINER BEAUFTRAGTEN FÜR PERSONEN-, SACH- UND VERMÖGENSSCHÄDEN IST AUSGESCHLOSSEN. VICTRON ENERGY B.V. BEHÄLT SICH DAS RECHT VOR, SEINE PRODUKTE OHNE VORANKÜNDIGUNG JEDERZEIT ZU ÄNDERN, WENN DIES DEM TECHNISCHEN FORTSCHRITT DIENT. Victron Energy B.V. De Paal JG Almere-Haven P.O. Box AA Almere-Haven Tel : +31 (0) Fax : +31 (0) sales@victronenergy.com Website :

3 3 Vorwort Strom an Bord (und überall dort, wo es keinen festen Anschluss an das Stromnetz gibt). Seit etwa 25 Jahren liefert VICTRON ENERGY Komponenten und Systemlösungen für autonome Energieversorgung. Das sind Systeme für Segel- oder Motoryachten, Binnenschiffe, nicht ans Stromnetz angeschlossene Privathäuser, Fahrzeuge aller Art und zahlreiche, oft exotische Anwendungen. Aus Erfahrung wissen wir, dass das Erzeugen und Speichern elektrischer Energie in kleinen Mengen ein komplexes Geschäft ist. Die Komponenten eines autonomen Systems sind teuer und anfällig. Zum Beispiel wird eine Batterie, der unverzichtbare Speicher von Energie, oft unerwartet schnell wieder leer, so dass kein Strom mehr da ist und vorzeitig in eine neue Batterie investiert werden muss. Die Entwicklung auf dem Gebiet autonomer Energieversorgung an Bord von Segelund Motorbooten ist beispielhaft. Die Menge an elektrischen (Haushalts-) Geräten, die an Bord eingesetzt werden, steigt ständig. Doch der vorgesehene Platz und das Gewicht für die Energieversorgung bleibt weiterhin auf das absolute Minimum beschränkt, denn selbstverständlich haben Wohnkomfort und Segeleigenschaften Vorrang. Wir bei VICTRON ENERGY haben gelernt, wie neue technische Entwicklungen und wachsende Ansprüche an eine autonome Energieversorgung in die Abstimmung der Systemkomponenten einbezogen werden können. In der vorliegenden Übersicht wollen wir Ihnen neue Produkte und Lösungen vorstellen, wobei unser Schwerpunkt auf der optimalen Systemintegration liegt. Bei der Erörterung von Systemkomponenten werden Markennamen nur dann erwähnt, wenn es nur dieses Produkt gibt oder man es nur unter seinem Markennamen bekommt, oder wenn andere Produkte nur sehr schwer erhältlich sind. Solche Victron Energy Produkte sind: - Austauschregler mit externer Spannungs- und Temperaturkompensation - Parallel schaltbare Wandler und Kombis von Wandlern und Ladegeräten - Batterieladegeräte mit einem Strombegrenzungsausgang für die Starterbatterie, der auch eine etwas geringere Spannung liefert, um das Überladen der Starter-Batterie zu vermeiden. - Der WhisperGen - die auf dem Stirling-Motor basierende Wärme-Kraft-Einheit - Der WhisperAir - die Gleichstrom-Klimaanlage, die mit nur 350 W Gleichstrom auskommt. Diese Abhandlung ist hauptsächlich für Boote geschrieben, findet jedoch selbstverständlich auch auf allen anderen Einsatzgebieten der autonomen Stromversorgung Anwendung.

4 4 Konzept Wir haben die folgenden Themen und Bereiche für Sie ausgewählt: Abschnitt 1. Die Batterie: Warum ist ihre Lebensdauer oft so kurz? Die Batterie ist das Herzstück eines jeden Klein-Energiesystems. Ohne Batterien keine Speicherung elektrischer Energie. Gleichzeitig ist die Batterie eines der teuersten und anfälligsten Bauteile. Dieser Abschnitt zeigt auf, warum Batterien so empfindlich sind. Abschnitt 2. Merkmale des Batterie-Ladens Unterschiedliche Batterietypen müssen auch unterschiedlich geladen werden. Dieser Abschnitt zeigt die optimalen Ladekennlinien der gebräuchlichsten Blei- Säure-Batterie-Typen. Abschnitt 3. Die Batterieüberwachung. Überwachen des Batterieladezustands Der Batterie-Controller gibt den Ladezustand der Batterie an. Er kann sogar als automatischer Starter zum Laden dienen oder aber nur anzeigen, dass Ladung benötigt wird. Bei größeren Batteriesystemen ist ein Controller mit einem Ampere-Stunden-Zähler unerlässlich. Erst mit dem Laden zu beginnen, wenn die Spannung ganz abgefallen ist, ist einfach zu spät. Die Batterie ist dann zu weit entladen und altert zu schnell. Abschnitt 4. Laden mit Lichtmaschine und Ladegerät Die Lichtmaschine mit einem normalem Spannungsregler, wie er in Autos üblich ist, ist weit davon entfernt, auch an Bord die beste Lösung zu sein. Und das ganz sicher dann nicht, wenn mehrere Batterien über Trenndioden geladen werden müssen. Abschnitt 5. WhisperGen - Der Stirling-Generator Nach beinahe zwei Jahrhunderten ist seine Zeit gekommen. Der Stirling-Motor hat sich zu einem zuverlässigen Produkt entwickelt und gewinnt an Boden gegenüber dem Diesel in den Bereichen Lärm- und Vibrationseindämmung, Instandhaltungsund Wartungskosten. Der Stirling-Motor ermöglicht die Stromerzeugung im unteren Bereich, notfalls 24 Stunden am Tag und 7 Tage die Woche. Victron Energy hat kürzlich die einzigartige auf dem Stirling-Motor basierende Wärme-Kraft-Einheit (Elektrizität und Heizung) für den maritimen und mobilen Einsatz vorgestellt. Abschnitt 6. Vorteile des Gleichstrom-Konzeptes

5 5 Alle elektrische Energie, die von der Batterie (oder mehreren Batterien) geliefert wird, gelangt bei einem Gleichstromsystem direkt zum Abnehmer. Bei benötigtem Wechselstrom geschieht das durch (parallel verbundene) Inverter. Das ist das Gleichstromkonzept, für das der WhisperGen entwickelt wurde. Das Gleichstromkonzept kann auch bei vielen größeren Systemen attraktiv sein, wo ein oder mehrere Stirling-Generatoren nicht ausreichen, um den Durchschnittsverbrauch abzudecken. In solchen Fällen ist es möglich, dass die Leistung des Diesel-Generators und die des Landanschlusses kleiner ausgelegt werden kann, da die Batterie die Verbrauchsspitzen abfängt. Des weiteren ist es nun gleichgültig, ob vom Landanschluss 50Hz oder 60Hz ankommen. Das Batterie-Lade-Batterie-Inverter- System fungiert auch als Frequenzwandler. Außerdem ist ein Gleichstrom-System viel einfacher und zuverlässiger als ein Wechselstrom-System. Abschnitt 7. Verbrauchskalkulationen Dieser Abschnitt beschäftigt sich mit elektrischer Ausrüstung an Bord und mit dem Gesamtstromverbrauch. Mit dem Wissen aus Abschnitt 6 wird nun über die Gleichstrom/Wechselstrom-Lösung diskutiert.

6 6 Inhaltsverzeichnis 1. Die Batterie S Lebensdauer S Die Chemie der Batterie S Was geschieht in einer Zelle während des Ladens S Die gebräuchlichsten Blei-Säure-Batterien S Blei-Antimon und Blei-Kalzium S Die Starter-Batterie mit dünnen Platten S Die Antriebs-Batterie mit flachen Platten S Die Traktions-Batterie S Die geschlossene Gel-Batterie S Die geschlossene AGM-Batterie S Die geschlossene Spiralzellen-Batterie S Wie die Batterie benutzt wird S Die Blei-Säure-Batterie in der Praxis S Was kostet eine Batterie? S Maße und Gewicht S Vorzeitiges Altern S Effektive Kapazität und schnelle Entladung S Kapazität und Temperatur S Zu schnell und nicht vollständig entladen S Unvollständiges Laden S Überladen S Temperatur S Selbstentladung S Merkmale des Batterie-Ladens S IU o U Laden S Laden mit Konstantstrom S Laden mit Konstantspannung S Laden mit Ladeerhaltungsspannung S Temperaturausgleich S Die Batterieüberwachung: Anzeigen des Batterie-Ladezustands S Verschiedene Möglichkeiten des Messens des Ladezustands S Das spezifische Gewicht des Elektrolyten S Die Batteriespannung S Der Amperestunden-Zähler S Der Batterie-Controller ist ein Amperestunden-Zähler S Der Wirkungsgrad einer Batterie S Ein guter Batterie-Controller berücksichtigt einen Ladefaktor oder die Coloumb-Leistung S Ein guter Batterie-Controller berücksichtigt, dass bei schneller S. 25 Entladung weniger Kapazität zur Verfügung steht

7 7 4. Das Laden der Batterie mit der Lichtmaschine oder dem Batterieladegerät S Die Lichtmaschine S Eine Lichtmaschine muss sowohl die Starter- als auch die Bordnetz-Batterie laden S Das Batterieladegerät: Vom Landstrom ins Gleichspannungs-Bordnetz S WhisperGen - der Stirling-Generator S Ein WhisperGen ersetzt einen Generator von 6 bis 12 kw S Die Vorteile des WhisperGen S Folgerung S Das Gleichstrom-Konzept S Einleitung S Dieselgetriebene Direktstromgeneratoren S Inverter S Erläuterung des Gleichstromkonzeptes S Durchschnittlicher elektrischer Verbrauch bis zu 750 Watt S Elektrischer Durchschnittsverbrauch bis zu 2kW S Elektrischer Durchschnittsverbrauch bis zu 10kW S Stromverbrauchskalkulationen S Motorboote bis ungefähr 9 Meter und Segelschiffe bis ungefähr 12 Meter Länge S Die Ausstattung S Unter Segel S Vor Anker S Aufladen der Batterie S Stromerzeugung mit der Hauptmaschine S Verbesserungsvorschläge S Die Extras S Motorboote mit 9 bis ungefähr 15 Meter und Segelschiffe S. 46 mit 12 bis etwa 18 Meter Länge Die Ausrüstung S Unter Segel S Vor Anker S Wie laden wir die Batterie wieder auf? S Stromerzeugung mit der Hauptmaschine S Alternative Energiequellen S Die Extras S Die Energieversorgung auf Segelyachten von 12 bis 18 Meter S Ein 230V-Generator S Ein Stirling-Generator S Die Energieversorgung auf einer Motoryacht von 9 bis 15 Meter S Zusammenfassung S Yachten von bis zu 30 Meter S Die Batterie: Warum ist ihre Lebensdauer oft so kurz?

8 8 1.1 Einleitung Die Batterie ist wie ein mysteriöser schwarzer Kasten. Von außen erfahren wir nichts über Qualität, vermutliches Alter oder Ladezustand. Auch ist es nicht möglich, sie aufzuschrauben, um Anzeichen internen Alterns zu finden. Man könnte sie öffnen, aber das würde sie ruinieren, und nur Spezialisten könnten dann den Inhalt analysieren (ob sich an den positiven oder negativen Platten große Kristalle gebildet haben), und vielleicht könnten sie manchmal die Gründe des fortgeschrittenen Alterns herausfinden. Eine Batterie ist teuer, groß und extrem schwer. Man bedenke nur: mit 10 Litern Diesel (= 8,4 kg) und einem Diesel-Generator kann man eine 700- Ah-Batterie bei 24V (Energiegehalt 24 x 700 = 16,8 kwh) aufladen. Solch eine Batterie hat ein Volumen von 300 dm 3 (= 300 Liter) und wiegt 670 kg! Batterien sind auch sehr anfällig. Überladen, unterladen, zu tief entladen, zu schnell geladen, zu hohe Temperatur... All diese Fehler können auftreten, und die möglichen Konsequenzen können verheerend sein. Im folgenden geben wir eine kurze Beschreibung der chemischen Prozesse in einer Batterie. (Wir beschäftigen uns nur mit Blei-Säure-Batterien, da weitere Typen kaum in Gebrauch sind.) Wir besprechen im einzelnen all die Schwachpunkte von Blei- Säure-Batterien und das richtige Vorgehen beim Laden und Entladen, sowie die gebräuchlichsten Typen Blei-Säure-Batterien. 1.2 Die Chemie der Batterie Was geschieht in einer Zelle bei der Entladung? Bei der Entladung einer Zelle geschieht folgendes: An der positiven Platte bildet sich Bleisulfat durch Absorption von Säure aus dem Elektrolyten. Dabei entsteht Wasser. An der negativen Platte bildet sich ebenfalls Bleisulfat durch Absorption von Säure vom Elektrolyten. Die Menge an Flüssigkeit in den Zellen ist mehr oder weniger gleichbleibend. Dennoch verringert sich der Säuregehalt im Elektrolyten, was sich in der Veränderung des spezifischen Gewichts bemerkbar macht. Dies kann man durch folgende Formel verdeutlichen: Positiver Pol PbO 2 + 2H + + H 2 SO e - -> PbSO 4 + 2H 2 O Negativer Pol Pb + SO 4 = -> PbSO 4 +2 e -

9 Was geschieht in einer Zelle während des Ladens? Während des Ladens ist der Prozess umgekehrt. Oben dargestellter Ablauf läuft von rechts nach links. An beiden Platten wird Säure freigesetzt, während sich das Sulfat an der positiven Platte in Bleioxyd umwandelt und an der negativen Platte in poröses, schwammartiges Blei. Einmal geladen, kann die Batterie nicht länger Energie aufnehmen, und jede weitere Energiezufuhr wird zur Spaltung des Wassers in Sauerstoff und Wasserstoff benutzt. Dies ist eine extrem explosive Mischung und erklärt, warum offene Flammen oder Funkenflug in der Nähe von Batterien während des Ladens sehr gefährlich sind. Deshalb ist es nötig, dass der Batterieraum ausreichend belüftet wird Die gebräuchlichsten Blei-Säure-Batterien Blei-Antimon und Blei-Kalzium Blei ist legiert mit Antimon (unter Zufügung auch anderer Elemente wie Selen in kleinen Mengen) oder mit Kalzium, um das Material härter und haltbarer zu machen. Für den Benutzer ist es wichtig zu wissen, dass Batterien mit Antimon-Legierung eine etwas höhere Selbstentladung haben als Blei-Kalzium-Batterien. Batterien können auch anhand ihrer mechanischen Konstruktion unterschieden werden Die Starter-Batterie mit dünnen Platten Diese Batterie wird in allen Autos benutzt. Sie ist nicht geeignet für häufiges Tiefentladen, denn sie hat viele dünne Platten aber mit großer Oberfläche - nur ausgelegt für kurzzeitige hohe Entladeströme Die Antriebs-Batterie mit flachen Platten, auch Semi-Traktions-Batterie genannt Diese Batterie hat dickere Platten und bessere Seperatoren zwischen den Platten, um Verwindung unter zyklischem Gebrauch zu verhindern. Sie hat bessere zyklische Eigenschaften und wird oft als Universalbatterie gehandelt Die Traktions-Batterie Dies ist die bekannte Röhrenplatten-Batterie, die beispielsweise als Gabelstapler- Batterie eingesetzt wird und bis zu 60-80% entladen und dann über Nacht wieder aufgeladen werden kann - Tag für Tag. Deshalb wird sie auch als zum zyklischen Gebrauch geeignet bezeichnet. Dieser Batterie-Typ muss mit relativ hoher Spannung geladen werden. Wie hoch, hängt von der verfügbaren Ladezeit ab. Bemerkung: Eine hohe Ladespannung ist unter anderem dazu nötig, um die Schichtung des Elektrolyten aufzuheben. Die Schwefelsäure (H 2 SO 4 ), die beim Laden entsteht, setzt sich ab, so dass die Säurekonzentration am Boden der Batterie höher ist als oben. Ist die Gasungs-Spannung dann erreicht, wird das Laden mit gleich viel Strom fortgesetzt. Dazu ist eine noch höhere Spannung erforderlich. Die daraus resultierende Gaserzeugung bewegt die Flüssigkeit und sichert die gleichmäßige Durchmischung des Elektrolyten.

10 10 Für den Elektrolyten in einer gewöhnlich sehr hohen Röhrenplatten-Batterie benötigt man längeres Gasen als in wesentlich kleineren flachen Platten-Batterien Die geschlossene (VRLA) Gel-Batterie Hier ist der Elektrolyt als Gel festgelegt. Bekannt als Sonnenschein Dryfit Batterie. Die sich während des Ladens bildenden Gase verbinden sich wieder mit dem Elektrolyten, so dass kein Gas austritt, außer wenn unerlaubt bei Erreichen der Gasungsspannung der Ladestrom nicht verringert wird, so dass die dann großen Mengen anfallenden Gases nicht rekombiniert werden können. Dann entweicht das Gas durch ein Sicherheitsventil, daher auch die Bezeichnung VRLA Batterie Valve Regulated Lead Acid Battery, auf deutsch: Ventil-regulierte Blei-Säure-Batterie Die geschlossene (VRLA) AGM Batterie AGM steht für Absorbed Glass Mat. In diesen Batterien wird der Elektrolyt durch den Kapillareffekt in eine Glasfasermatte zwischen den Platten absorbiert ("gebunden"). In einer AGM-Batterie wandern die Ladungsträger, Wasserionen (H 2 ) und Schwefelionen (SO 4 ), leichter zwischen den Platten als in einer Gel-Batterie. Dies macht eine AGM-Batterie gegenüber einer Gel-Batterie geeigneter für die kurzzeitige Ladung mit sehr hohem Strom Die geschlossene Spiralzellen-Batterie Bekannt als Optima- oder Maxima-Batterie, ist dies eine Variante der VRLA AGM Batterie. Jede Zelle besteht aus 1 negativen und 1 positiven spiralförmigen Platte, wobei höhere mechanische Versteifung und weniger Innenwiderstand erreicht werden. 1.4 Wie die Batterie benutzt wird In einem autonomen Energiesystem ist die Batterie der Puffer zwischen den Stromquellen (Lichtmaschine, Ladegerät, Solarpaneel, Windrad, DC-Generator) und dem Verbraucher. In der Praxis bedeutet das eine zyklische Nutzung, aber tatsächlich eine spezielle irreguläre Variation zyklischer Nutzung. Dies steht im Gegensatz zu dem Gabelstaplerbeispiel, wo der Lastzyklus vorhersehbar ist. Beispielsweise sind auf einer Yacht folgende Situationen vorhersehbar: - Die Yacht läuft unter Segel oder liegt vor Anker in einer ruhigen Bucht. Die Crew an Bord wünscht keine Lärmbelästigung, so dass der benötigte Strom von der Batterie geliefert wird. Der Diesel-Generator wird nur ein-, zweimal am Tag für einige Stunden angeworfen, um die Batterie zu laden, genug für die folgende generatorfreie Periode. Dies ist zwar zyklischer Gebrauch, wobei aber die Ladezeit viel zu kurz für eine vollständige Aufladung ist. - Die Yacht läuft unter Segel oder liegt vor Anker in einer ruhigen Bucht. Benutzt man einen oder mehrere Stirling-Generatoren an Bord, kann man ohne Lärmbelästigung 24 Stunden am Tag Energie erzeugen. Außer in den Verbrauchsspitzen, wo die Batterie dem Generator beispringt, bleibt die Batterie ungenutzt und deshalb voll geladen.

11 11 - Die Yacht läuft unter Motor. Die Lichtmaschine der Hauptmaschine hat dann genügend Zeit, die Batterie ordentlich zu laden. - Die Yacht liegt im Hafen. Die Batterie-Ladegeräte sind am Landstrom angeschlossen, und die Batterie kann 24 Stunden am Tag geladen werden. Die Zahl der jährlichen Zyklen, die Umgebungstemperatur sowie viele weitere Faktoren beeinflussen von Eigner zu Eigner unterschiedlich die Lebensdauer einer Batterie. Im folgenden werden diese Faktoren kurz behandelt.

12 Die Blei-Säure-Batterie in der Praxis Was kostet eine Batterie? Hier können wir nur ungefähre Preisangaben machen. Neben allen Überlegungen bezüglich Qualität und Einsatzzweck spielen die Kosten einer Batterie eine wichtige Rolle. Batterietyp Anwendung Typische Systemspannung, installierte Kapazität und zur Verfügung stehende Energie Preisangabe ex. MWST Stand: NLG = 88 DM Preisangabe pro kwh V Ah KWh NLG NLG/kWh Start Start , Optima Bluetop Semi-Traktion Traktion (Röhrenplatten) VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A200 VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A600 VRLA-AGM GNB Champion VRLA-AGM GNB Absolyte Bordnetz- Batterie (Bugstrahlruder oder Winschen) Bordnetz- Batterie bis zu ca Ah Elektrischer Antrieb Bordnetz- Batterie bis zu ca. 600 Ah Bordnetz- Batterie bis zu ca Ah Bordnetz- Batterie bis zu ca. 600 Ah Bordnetz- Batterie bis zu ca Ah , , , , , ,4 1, , Die Tabelle zeigt, dass die Kosten abhängig von der Batteriewahl stark variieren und dass teilweise offene Batterien günstiger sind als geschlossene. Aber geschlossene, wartungsfreie Batterien sind leichter zu handhaben. - Sie sind wartungsfrei - Es treten keine schädlichen, säurehaltigen Dämpfe aus (vorausgesetzt, die Batterie wird nicht mit zu hoher Spannung geladen). - Sie kann auch an schwer zugänglichen Orten installiert werden.

13 13 Auf der anderen Seite sind geschlossene Batterien eben empfindlicher gegenüber Überladen. Überladen führt zu Wasserverlust (die gasförmigen Bestandteile entweichen durch das Sicherheitsventil), der nicht wieder ausgeglichen werden kann, woraus Kapazitätsverlust und vorzeitiges Altern resultieren können. Moderne offene Flachplatten-Batterien mit geringem Antimongehalt (ungefähr 1,5%) gasen so wenig, dass Wasser gewöhnlich nur zwei- oder dreimal im Jahr nachgefüllt werden muss. Regelmäßige Überprüfung und Erhaltung sichern lange Lebensdauer Maße und Gewicht Batterietyp V Ah kwh Volumen dm 3 Gewicht kg Spezifisches Volumen Wh/dm 3 Spezifisches Gewicht Wh/kg Start , Optima ,72 8,5 20, Bluetop Semi-Traktion , Traktion (Röhrenplatten) VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A200 VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A600 VRLA-AGM GNB Champion VRLA-AGM GNB Absolyte , , * 1360* 60 26,5 * inkl. Montagerahmen Verglichen mit der freigesetzten Energie, die beispielsweise bei der Verbrennung von Diesel entsteht, können Batterien nicht mithalten. Das Verbrennen von 10 Liter Dieselöl (Gewicht 8,4 kg) ergibt ungefähr 100 kwh Wärmeenergie. So liefert ein Dieselgenerator beim Verbrennen von Liter Dieselöl mit einem Wirkungsgrad von 20% (der Leistung eines 8 kw-generators; kleinere Generatoren haben einen geringeren Wirkungsgrad) 20 kwh elektrischer Energie. Eine Batterie mit gleicher Leistung wiegt 800 kg und hat ein Volumen von 330 dm³! Einen weiteren bildhaften Vergleich liefert das Wasserkochen. Für Erhitzen von Wasser bis zum Kochen benötigt man ungefähr 0,1 kwh. Dafür braucht man eine Batterie von nahezu 4 kg Gewicht!

14 Vorzeitiges Altern Die Batterie wird zu tief entladen Je tiefer eine Batterie entladen wird, desto schneller altert sie. Ist einmal ein bestimmter Grenzwert erreicht (bei guten Batterien ungefähr bei 80% Entladung), beschleunigt sich der Alterungsprozess überproportional. Auch wenn die Batterie geladen oder teilweise entladen längere Zeit ungenutzt ist (wie lange, ist abhängig vom Typ), fangen die Platten an zu "sulfatieren". Ein undurchdringbarer Belag von Blei-Schwefel-Kristallen bildet sich nach und nach an der positiven Platte, der keinen Stromfluss mehr zulässt. Dieser Teil der Batterie wird nutzlos.

15 15 Die folgende Tabelle zeigt die zu erwartende Anzahl an Lade/Entladezyklen an, für die der Batterietyp jeweils ausgelegt isz. Batterien erreichen das Ende ihrer Lebensdauer, wenn sie nur noch 80% ihrer Kapazität erreichen. Die Anzahl der zulässigen Zyklen hängt stark von der Tiefe der Entladung ab (depth of discharge = DOD). Typ Anzahl von Zyklen Widerstandfähigkeit bei 100% Entladung Voraussichtliche Gebrauchsdauer im Bereitschaftsbetrieb Bei 20 C Umgebungstemp. DoD 80% DoD 60% Jahre Starter Nicht geeignet für zyklische Beanspruchung 5 Optima Bluetop Sulfatiert innerhalb weniger Tage 10 Semi- Traktion Sulfatiert innerhalb weniger Tage Traktion Überlebt bis zu 1 (Röhrenplatten) Monat in entladenem VRLA gel Sonnenschein Dryfit A200 VRLA Sonnenschein Dryfit A600 VRLA-AGM GNB Champion VRLA-AGM GNB Absolyte Zustand Überlebt bis zu 1 Monat in entladenem Zustand Überlebt bis zu 1 Monat in entladenem Zustand Überlebt bis zu 1 Monat in entladenem Zustand Überlebt bis zu 3 Monate in kurzgeschlossenem Zustand (at 25 C) Es leuchtet ein, dass man Batterien niemals vollständig entladen soll und sie nicht in entladenem Zustand länger stehen lassen sollte. Ebenso ist hier schon anzumerken, dass die Spannung einer Batterie während des Gebrauchs kein guter Maßstab für ihren Ladezustand ist. Die Batteriespannung ist zu sehr abhängig von weiteren Faktoren wie z.b. Entladestrom und der Temperatur. Ist die Batterie erst einmal fast vollständig entladen (DOD 90% to 100%), fällt die Spannung sehr schnell - mit all den negativen Folgen. Deshalb sollte man nicht nur

16 16 bei Nutzung großer, teurer Batterien in eine Batterieüberwachung (Abschnitt 3) investieren. Dies alles bedeutet, dass die Batterie eventuell nicht immer das leisten kann, was von ihr erwartet wird, da selten tatsächlich ihre Nenn-Kapazität voll ausgeschöpft werden kann.

17 Effektive Kapazität und schnelle Entladung Bei schneller Entladung kann nur ein Teil der angegebenen Kapazität genutzt werden. Verantwortlich dafür ist der relativ langsam ablaufende chemische Prozess im Innern der Batterie. Im allgemeinen bezieht sich die Kapazität auf eine Entladezeit von 20 Stunden. Bei einer 200-Ah-Batterie bedeutet das einen Entladestrom von nur 10 Ampere (=200 Ah / 20h). Bei einem Entladestrom von 100A ist die gleiche Batterie viel schneller "leer". Zum Beispiel hat eine 200-Ah-Gel-Batterie dann nur noch eine entnehmbare Kapazität von 100Ah und ist folglich nach einer Stunde leer (siehe Punkt 3.4 für eine wissenschaftliche Kalkulation: die Peukert-Formel). Die folgenden Tabellen zeigen die nutzbare Kapazität als Funktion des Entladestroms. So zeigt die zweite Spalte der ersten Tabelle die Kapazität wie vom Hersteller angegeben für eine bestimmte Entladezeit. Meist sind dies 20 Stunden; es können aber auch nur 10 oder 5 Stunden (bei höherem Entladestrom) sein. Die Tabellen zeigen den steilen Leistungsabfall, und dass bei höherem Entladestrom die AGM Batterien (Optima und GNB) besser arbeiten als die Gel-Batterie. Typ Entladestrom Tabelle 1 Nennkapazität bei Entladezeit entsprechender Entladezeit Effektive Kapazität 1,83V/Zelle Entladestrom Entladezeit A (Nenn) Stunden A(C/5) Ah % Stunden Starter-Batterie 5 100Ah/20h 20 Optima 3 60Ah/20h ,3 Bluetop Semi-Traktion Ah/20h ,1 Traktion (Röhrenplatte) VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A200 VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A600 VRLA-AGM GNB Champion VRLA-AGM (GNB Absolyte) Ah/5h Ah/20h Ah/10h Ah/20h , Ah/10h Tabelle 2

18 18 Typ Effective capacity 1,83V/Zelle Entladezeit Entladestrom Entladestrom Effective capacity 1,75V/Zelle Entladezeit A(C/2) Ah % Minuten A(C/1) Ah % Minuten Starter-Batterie Optima Bluetop Semi -Traktion Traktion (Röhrenplatte) VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A200 VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A600 VRLA-AGM GNB Champion VRLA-AGM GNB Absolyte * 0 0* * Bei einem Entladestrom von 1500A (K/1) fällt die Spannung einer A600 Batterie fast sofort auf 1,65V/Zelle (d.h. 9,9V und 19,8V für ein 12V oder 24V System). Entladestrom wird oft in Proportion zur Kapazität dargestellt. Beispielsweise bedeutet K/5 bei einer 200 Ah Batterie einen Entladestrom von 40A (= 200 Ah/5) Kapazität und Temperatur Die effektive Leistung einer Batterie variiert in umgekehrter Proportion zur Temperatur. Standardwerte: effektive Leistung in % der Kapazität -10 C 10 C 15 C 20 C 25 C 30 C 80% 92% 95% 100% 103% 105% Zu schnell und nicht vollständig laden Batterien, die sehr tief entladen werden können, nehmen beim Laden, bis die Gasungsspannung erreicht ist, sehr hohe Ströme auf. Obwohl das Laden mit hohem Strom viele Male gut gehen kann, hat dies doch einen bleibenden negativen Effekt für die Lebensdauer der meisten Batterien. Im allgemeinen sollte man den Ladestrom bei K/5 belassen, oder anders ausgedrückt, bei einem Fünftel oder 20% der Kapazität.

19 19 Beim Laden mit Strom größer als K/2 kann die Temperatur steil ansteigen. Temperaturausgleich der Ladespannung ist dann unbedingt notwendig (siehe Punkt 1.6.6) Doch der Komfort an Bord wird nun mal geschätzt, was bedeutet, dass die Generatorlaufzeit auf einem Schiff vor Anker oder unter Segel auf zwei bis maximal vier Stunden am Tag beschränkt wird. Ein Beispiel: Angenommen, eine 50-Fuß-Segelyacht hat eine 24-V-Batterie mit einer Kapazität von 800 Ah. Der maximale Ladestrom wäre K/5 = 160 A. So kann man in zwei Stunden 320 Ah laden. Bei gleichzeitigem Verbrauch von 15 A muss das Ladegerät 175 A liefern. Während der restlichen 22 Stunden einer 24 Stunden-Periode können durchschnittlich 320 Ah/22 Stunden = 14,5 A verbraucht werden, was einer Entladung von nur 320/800 = 40% entspricht. Dies scheint nicht viel zu sein, aber das ist leider das Maximum, wenn eine Generatorlaufzeit auf zwei Stunden beschränkt ist. So genutzt, wird die Batterie auf ungefähr 85% (oberhalb dieses Wertes steigt die Ladespannung, und der Strom nimmt ab) geladen und dann bis auf ungefähr 45% entladen. Weiteres Entladen und schnelleres Laden würden die Lebensdauer verkürzen. Bei obigem Beispiel nutzt man die Batterie teilgeladen (zwischen 45 und 85% DOD). Nasse offene Batterien halten nur ungefähr 30 Zyklen aufgrund der Elektrolyt- Schichtung aus (die Säurekonzentration wird am Boden der Batterie höher und oben niedriger). Gel- und AGM-Batterien halten länger, da ihr Elektrolyt festgelegt ist. Noch einmal: Bei diesem Vorgehen über einen längeren Zeitraum altert die Batterie schneller! Nach ungefähr 15 Zyklen müssen Nass-Batterien vollständig geladen werden, und zwar jedes Mal (Das Gasen der Batterie ermöglicht das gründliche Durchmischen des Elektrolyten), während geschlossene Batterien nach ungefähr 30 Zyklen vollständig geladen werden sollten. Die beste Lösung wäre, den Generator ganztags laufen zu lassen. Siehe dazu Abschnitt 5: Der Stirling-Generator Unvollständiges Laden Die erste Phase beim vollständigen Laden ist das sogenannte "Konstantstromphase"-Laden, bis nahezu 85% der Kapazität erreicht sind, wie in Punkt beschrieben. Der Ladestrom liegt dann bei ungefähr 20% der Kapazität. Während dieser Phase steigt die Batteriespannung von ca. 2,2V/Zelle (12,6V bei einer 12V Batterie und 25,2V bei einer 24V Batterie) auf ca. 2,4V/Zelle (14,4 und 28,8V ). Während dieser Phase des Ladens wird der Strom begrenzt, (das "I" steht für Konstantstrom) und die Spannung steigt in Abhängigkeit des Batterie- Innenwiderstands. Die zweite Phase ist die Konstantspannungsphase, in der nicht der Strom, sondern die Spannung begrenzt wird. Bei einfachen W-Ladegeräten würde die Spannung weiter steigen. Die Konstant-Spannung ist 2,4 V/Zelle (14,4 V und 28,8 V) bei 20 C. Somit wird in der zweiten Phase der Strom durch die Batterie selbst geregelt: er sinkt.

20 20 Nach einiger Zeit (bei einfachen Ladesystemen zum Beispiel 4 Stunden) wird die Ladespannung automatisch auf ungefähr 2,3V/Zelle. (13,8V und 27,6V ) bei 20 C abgesenkt. Dann ist die Lade-Erhaltungsphase erreicht. Die Phase mit etwas höherer Ladespannung (U O ) braucht man, um in möglichst kurzer Zeit die Batterie zu 100% zu laden. Die niedrigere Spannung (U) hält die Batterie auf 100% Ladeniveau. Die oben beschriebene IU U Charakteristik reicht gut aus für offene und gasdichte Flachplattenbatterien. Die genannten Spannungen sind mehr oder weniger temperaturabhängige Standardwerte. Siehe dazu Abschnitt 2. Die Traktions(Röhrenplatten)-Batterie benötigt eine viel höhere Spannung für vollständiges Laden. Offene Batterien haben auch eine längere Lebensdauer, wenn sie regelmäßig (einmal im Monat) eine Ausgleichsladung mit höherer Spannung erhalten. Auch hierzu Abschnitt 2. Wie oben gezeigt, dauert es lange, Batterien vollständig aufzuladen. Nach anfänglichem zwei- bis vierstündigem Laden mit Konstantstrom benötigt man ein mindestens vierstündiges Laden mit konstanter Spannung. Wird eine Batterie nicht mindestens einmal im Monat vollständig aufgeladen, tritt sehr schnell ein Kapazitätsverlust ein. Tiefentladen und nicht vollständiges Laden sind die Hauptgründe für die geringere Lebensdauer einer Batterie. Verantwortlich dafür sind entweder mangelnde Zeit oder falsche Auswahl des Ladesystems. In Abschnitt 3 wird die Zusammenstellung des Ladesystems Schritt für Schritt einschließlich möglicher Fehler erörtert Überladen Überladen ist ein weiterer Grund für die geringere Lebensdauer einer Batterie. Bei offenen Batterien wird dieser Verlust oft hingenommen. Wasserverlust durch übermäßiges Gasen kann leicht nachgefüllt werden (dennoch ist das Fortschreiten der Korrosion der positiven Platte nicht aufzuhalten). Geschlossene Batterien hingegen, die aufgrund von zu hoher Ladespannung gasen, können nicht mehr nachgefüllt werden und sind dadurch viel anfälliger für das Überladen. Ein häufiger Grund für Überladung ist die mangelnde Temperaturkompensation, oder die Batterien werden über Trenndioden geladen. (Siehe Abschnitt 3.) Temperatur Die Temperatur einer Batterie kann stark schwanken, abhängig beispielsweise von: - Schnellem Entladen und Laden. Durch ihren Innenwiderstand erwärmt sich eine Batterie. Die Temperatur steigt im Quadrat des Stromes. (P=R I 2 ). - Dem Platz einer Batterie. Im Maschinenraum eines Schiffes treten Temperaturen bis 40 C und darüber auf. In Fahrzeugen kann die Temperatur von -20 C bis +40 C variieren. Eine hohe durchschnittliche Arbeitstemperatur verursacht frühzeitiges Altern, weil der chemische Zerlegungsprozess in einer Batterie bei höherer Temperatur schneller

21 21 abläuft. Der Batteriehersteller beschreibt die Lebensdauer seines Produktes für 20 C Umgebungstemperatur. Die Lebensdauer einer Batterie halbiert sich jeweils bei 10 C Temperaturanstieg. Die folgende Tabelle zeigt die Lebensdauer bei verschiedenen Temperaturen. Batterietyp Lebensdauer bei Bereitschaftsbetrieb (Jahre) 20 C 25 C 30 C Start 5 3,6 2,5 Optima Bluetop Semi-Traktion 5 3,6 2,5 Traktion (Röhrenplatte) VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A200 VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A600 VRLA-AGM GNB Champion VRLA-AGM GNB Absolyte ,6 2, , Letztendlich spielt die Temperatur eine große Rolle beim Laden der Batterie. Die Gasungsspannung und die Ladeerhaltungsspannung fallen mit dem Ansteigen der Batterietemperatur. Dies bedeutet, dass bei einer festen Ladespannung eine kalte Batterie unzureichend und eine heiße Batterie übermäßig geladen wird. Beide Effekte sind sehr schädlich. Eine überhitzte Batterie kann sogar den Wärmetod sterben. Wegen des Fallens der Gasungsspannung erhöht sich der Strom, und die Batterie wird noch heißer, etc. Überhitzung führt sehr schnell zur Zerstörung der Batterie. (Das Gas treibt die aktive Masse aus den Platten), und es besteht die Gefahr einer Explosion aufgrund innerer Kurzschlüsse und weil Knallgas entstehen kann. Die Ladespannung wird von den Herstellern auf eine Batterietemperatur von 20 C bezogen angegeben und kann so belassen werden, solange die Batterietemperatur einigermaßen konstant bleibt (15 C bis 25 C). Dies ist jedoch selten der Fall, und deshalb muss man für eine Temperaturkompensation sorgen.

22 22 Gibt der Hersteller die Ladeerhaltungsspannung bei 20 C zum Beispiel mit 27,6V an, muss die Spannung bei 30 C auf 27V vermindert werden, d.h. eine Differenz von 0,6V oder etwas über 2% der Ladeerhaltungsspannung. Abweichungen von mehr als 1% der richtigen temperaturabhängigen Ladespannung führen zu einer deutlichen Verminderung (laut einiger Studien bis zu 30%!) der Lebensdauer, auch bei zu niedriger Spannung bei einer kalten Batterie. Werden die Batterien nicht zu 100% geladen oder nicht auf 100% gehalten, beginnen die Platten zu sulfatieren Selbstentladung Eine Batterie verliert auch im Ruhezustand Kapazität aufgrund der Selbstentladung. Die Selbstentladung ist abhängig vom Batterietyp und der Temperatur. Typ Legierung Selbstentladung pro Selbstentladung pro Monat bei 20 C Monat bei 10 C Start Antimon (1,5%) 6% 3% Optima 4% 2% Bluetop Semi-Traktion Antimon (1,5%) 6% 3% Traktion (Röhrenplatte) VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A200 VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A600 Antimon (5%) 12% 6% Kalzium 2% 1% Kalzium 2% 1% VRLA-AGM GNB Champion VRLA-AGM GNB Absolyte Positive Platten: Antimon Negative Platten: Kalzium Positive Platten: Antimon Negative Platten: Kalzium 3% 1,5% 3% 1,5% Bei Nichtbenutzung müssen offene Blei-Antimon-Batterien nach spätestens sechs Monaten aufgeladen werden, es sei denn, sie werden bei sehr niedriger Umgebungstemperatur gelagert. Geschlossene Batterien kommen über sechs bis acht Monate (die Wintersaison in Mittel- und Nordeuropa) ohne Nachladen aus. Wichtig ist, dass die Batterie abgeklemmt wird, so dass es nicht durch zusätzlichen Stromverlust irgendwo sonst im System zur beschleunigten Entladung kommt.

23 23 2. Merkmale des Batterieladens In Abschnitt 1 haben wir viel über das Laden von Blei-Säure-Batterien im allgemeinen gesagt. Der folgende Abschnitt vertieft das Thema Laden von Batterien. 2.1 IU U Laden Laden mit Konstantstrom (I) Bei den meisten Batterien ist es angebracht, den Strom auf K/5 zu begrenzen. Zum Beispiel 20 A bei einer 100 A Batterie. Das bedeutet, dass 20% der Kapazität pro Stunde geladen wird. Eine Batterie, die auf 60% entladen ist (DOD 60%), nimmt Strom dieser Größe ungefähr zwei Stunden an. Danach ist die Batterie zu 80% geladen, und die Gasungsspannung ist erreicht. Anstatt den "angebotenen" Strom bei fortschreitender Ladung vollständig weiter aufzunehmen, akzeptiert die Batterie dann nur noch ständig abnehmenden Strom. Bei noch höherem Ladestrom als K/5 würde der Gasungsspannungspunkt noch schneller erreicht. Mit anderen Worten: Höherer Ladestrom verkürzt die Ladezeit nur bis zu einem gewissen Grad Laden mit Konstantspannung (U ) In dieser Phase wird die Spannung konstant gehalten, der Strom nimmt dadurch kontinuierlich ab. Idealerweise sollte man den Batteriestrom während dieser Phase messen. Wenn der Strom deutlich abgenommen hat, kann die Ladeerhaltungsphase beginnen, oder manchmal auch eine Phase mit gleichbleibendem Strom. In der Praxis wird jedoch für gewöhnlich nicht gemessen, sondern eine eingestellte Zeit, ungefähr eine vierstündige Konstantspannungsphase wird als ausreichend angesehen. Der Nachteil dabei ist, dass nach einer langen, tiefen Entladung die Batterie eigentlich eine längere Konstantspannungsphase benötigt als nach einer kurzen, begrenzten Entladung. Für letzteres wäre die vierstündige Konstantspannungsphase dann zu lang Laden mit Ladeerhaltungsspannung (U) Die Batterie wird an gleichbleibender Spannung gehalten, und es fließt ein kleiner Ladestrom, der sicherstellt, dass die Batterie zu 100% geladen bleibt. Wie bereits oben erwähnt, sollte die Ladeerhaltungsspannung nicht mehr als 1% von der Spannungsangabe des Herstellers nach dem Temperaturausgleich abweichen. Zu große Ladeerhaltungsspannung führt zu vorzeitigem Altern als Konsequenz der Oxydation an der positiven Platte. Zu geringe Ladeerhaltungsspannung führt ebenfalls zu frühzeitigem Altern aufgrund der Sulfatierung bei nicht vollständigem Laden. Eine Abweichung von 2% (0,3V und 0,6V bei einem 12V- und 24VSystem) kann bereits zu einer Minderung der Lebensdauer von 30% führen.

24 24 Empfohlene IU U Merkmale Typ Legierung Konstantspannungsphase bei 20 C Start Antimon 4 Stunden bei 2,4V/Zelle Optima 16 Stunden bei Bluetop 2,45V/Zelle Semi-Traktion Antimon 8 Stunden bei 2,44/Zelle Traktion Antimon 12 Stunden bei (Röhrenplatte) 2,44V/Zelle Ladeerhaltungsphase bei 20 C 2,25V/Zelle * 2,25V/Zelle 2,25V/Zelle 2,25V/Zelle VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A200 VRLA Gel Sonnenschein Dryfit A600 Kalzium 4 Stunden op 2,4V/Zelle Kalzium 4 Stunden bei 2,34V/Zelle 2,3V/Zelle 2,25V/Zelle VRLA-AGM GNB Champion VRLA-AGM GNB Absolyte Positive Platten: Antimon Negative Platten: Kalzium Positive Platten: Antimon Negative Platten: Kalzium 4 Stunden bei 2,35V/Zelle 4 Stunden bei 2,35V/Zelle 2,25V/Zelle 2,25V/Zelle * In der Fahrzeugindustrie arbeitet man mit einer Durchschnittsspannung von 2,33 V/Zelle (14V bei einem 12V-System) Temperaturausgleich Obwohl Herstellerempfehlungen in geringem Maße variieren, sind 5mV/ C pro Zelle als allgemeiner Durchschnitt akzeptiert. Das bedeutet: -30mV/ C bei einer 12V Batterie und -60mV/ C bei einer 24V Batterie.

25 25 3. Die Batterieüberwachung: Anzeigen des Batterie-Ladezustands 3.1 Verschiedene Möglichkeiten des Messens des Ladezustandes Das spezifische Gewicht des Elektrolyten Wie bereits erwähnt, besteht der Elektrolyt aus einer Mischung aus Wasser und Schwefelsäure (H 2 SO 4 ). Bei einer geladenen Batterie besteht die aktive Masse an der positiven Platte aus Bleioxyd (PbO 2 ) und an der negativen Platte aus porösem schwammartigem Blei (Pb). Die Konzentration der Schwefelsäure im Elektrolyten (und dadurch auch sein spezifisches Gewicht) ist dann hoch. Während des Entladens wird die Schwefelsäure des Elektrolyten "genutzt", und die aktive Masse der positiven und negativen Platte wandelt sich um in Bleisulfat (PbSO 4 ). Dies verursacht einen Abfall der Schwefelsäurekonzentration und des spezifischen Gewichtes des Elektrolyten. Während des Entladens kann der Ladezustand der Batterie recht gut mit Hilfe eines Säurehebers zur Bestimmung des spezifischen Gewichts des Elektrolyten ermittelt werden. Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang: Ladezustand Spezifisches Gewicht der Batterie-Ruhespannung Durchschnitts-Zelle 100% 1, , % 1,225 12,45 50% 1,190 12,24 25% 1,155 12,06 0% 1,120 11,89 Während des Ladens findet der umgekehrte Prozess statt, und es bildet sich wieder Schwefelsäure. Weil Schwefelsäure schwerer ist als Wasser, setzt sie sich bei Batterien mit flüssigem Elektrolyten (dies tritt nicht bei Gel- und AGM-Batterien auf) am Boden ab, so dass die Säurekonzentration im unteren Teil der Batterie höher ist, während sie sich über den Platten nicht ändert. Erst in der Gasungsphase mischt sich der Elektrolyt langsam wieder durch die Gasbläschen (das dauert im allgemeinen einige Stunden). Also ist der abgelesene Wert des Säurehebers während des Ladens viel zu niedrig! Erst nach einigen Stunden des Gasens kann der Säureheber den richtigen Ladezustand anzeigen Die Batteriespannung Auch die Batteriespannung kann als Anzeiger des Ladezustandes dienen. Siehe obige Tabelle. Wichtig ist dabei, den Batterien vor einer Messung einige Stunden Ruhe zu gönnen (kein Laden oder Entladen). 3.2 Der Amperestunden-Zähler Dies ist der genaueste und beste Weg, den Batterieladezustand zu kontrollieren. Und genau dafür gibt es den Batterie-Controller, mit dem wir uns im folgenden beschäftigen wollen.

26 Der Batterie-Controller ist ein Amperestunden-Zähler Die Hauptfunktion eines Batterie-Controllers besteht in der Anzeige und Überwachung des Ladezustandes. Der durch einen Messwiderstand fließende Ladeund Entladestrom wird gemessen und bewertet und somit die in und aus der Batterie fließenden Ströme pro Zeiteinheit - die Amperestunden gezählt. 3.3 Der Wirkungsgrad einer Batterie Beim Laden und Entladen einer Batterie geht Energie verloren. Die vollständige Menge elektrischer Energie, die die Batterie während des Ladens aufnimmt, ist ungefähr 20% höher als die abgegebene Entlademenge. Der größte Verlust erklärt sich aufgrund der notwendigen höheren Spannung beim Laden im Gegensatz zum Entladen. Batterien, die nicht gasen (VRLA Batterien) und einen geringen internen Widerstand haben, wie die Absolyte von GNB, sind da am effizientesten. Der Batterie-Controller berechnet jedoch nur Strom x Zeit (= Ah) und nicht die Energie (= Strom x Spannung x Zeit = kwh). Wie in Abschnitt 1 gesehen, sind auch Strom und Ladezustand wichtige Kriterien. Die Spannung ist lediglich eine Ableitung davon. 3.4 Ein guter Batterie-Controller berücksichtigt einen Ladefaktor oder die Coulomb-Leistung Die Batterie-Hersteller nennen jeweils typische Ladefaktoren für ihre Batterien. Ein Ladefaktor oder eine Coulomb-Leistung von beispielsweise 96% bedeutet, dass man um eine Batterie vollständig aufzuladen, weitere 4% Ah mehr Ladung benötigt. Die Coulomb-Leistung einer Batterie ist beinahe 100%, solange keine Gasentwicklung stattfindet. Gasentwicklung bedeutet, dass ein Teil des Ladestroms nicht in chemische Energie umgewandelt wird. Anders ausgedrückt, wenn eine Batterie auf 60% entladen ist und wird auf 20% DOD geladen, ist die Anzahl der benötigten Ah, um von 60% DOD auf 20% DOD zu kommen gleich der Anzahl der Ah, die benötigt werden, um von 20% DOD auf 60% DOD beim Entladen zu kommen, solange die Batterie beim Laden nicht gast (mit oder ohne Rekombination)! Erst in der letzten Phase des Ladens, der Gasungsphase, treten Coulombverluste auf, so dass man mehr Ah laden muss als zuvor entladen wurden. Die Größe des Verlustes und dadurch der Coulomb-Leistung hängt ab von: A. Dem Batterietyp Offene Batterien gasen etwas mehr als VRLA-Batterien, bevor sie vollständig geladen sind. B. Wie die Batterie geladen wird Wenn eine Batterie hauptsächlich teilentladen genutzt wird und nur hin und wieder 100%ig geladen wird, ist die durchschnittliche Coulomb-Leistung höher als wenn eine Batterie nach jeder Teilentladung vollständig geladen wird.

27 27 Laden mit permanent hohem Strom verursacht höhere Gasentwicklung und verringert die Coulomb-Leistung. Das bedeutet, dass die Coulomb-Leistung von der Art und Weise der Batterienutzung abhängt. Deshalb ist es ratsam, anfangs den Coulombfaktor des Batterie-Controllers auf etwa 96% zu setzen und ihn erst später genauer einzustellen, um dann der Praxis gerecht zu werden. 3.5 Ein guter Batterie-Controller berücksichtigt, dass bei schneller Entladung weniger Kapazität zur Verfügung steht Dieser Effekt wird in Punkt beschrieben und kann mittels des Peukert- Exponenten bei einigen Batterie-Controllern vorab eingestellt werden. Peukert entdeckte, dass die Beziehung zwischen Entladestrom I und der Entladezeit t (von vollständiger Ladung zu vollkommener Entladung) annähernd wie folgt beschrieben werden kann: C p = I n x t wobei C p eine Konstante ist (die sogenannte Peukert-Kapazität) und n der Peukert- Exponent ist. Der Peukert-Exponent ist immer größer 1, Je größer n ist, desto schlechter verhält sich die Batterie bei hohen Entladeströmen. Der Peukert-Exponent kann entweder wie folgt errechnet werden durch Messungen an der Batterie oder man benutzt Entladetabellen oder -grafiken. Wenn wir die Entladezeiten t 1 und t 2 berechnen oder messen für zwei stark verschiedene Entladeströme (I 1 and I 2 ), dann gilt: C p = I n1 x t 1 = I n2 x t 2 daraus folgt: n = log ( t 2 / t 1 ) / log (I 1 / I 2 ) Kapazität "verschwindet" nicht: Punkt zeigt das Beispiel einer Batterie, bei der die Kapazität bei 20-stündigem Entladen 200 Ah betrug, also C20 = 200 Ah. Der dazugehörige Entladestrom ist: I 20 = K 20 / 20 = 10 A Bei einem Entladestrom von 100A wäre die Batterie innerhalb einer Stunde leer, d.h. C 1 = 100 Ah. Dies bedeutet nicht, dass bei einem Entladestrom von 100A die Kapazität von 100Ah (C20 - C1) "verschwunden" ist, aber dass der chemische Prozess zu langsam abläuft, so dass die Spannung dramatisch abnimmt. Eine Batterie, entladen mit I = 100 A und "leer" in 1 Stunde, wird also nach Laden mit 100 Ah (beinahe) voll sein, wohingegen die gleiche Batterie, entladen mit I = 10 A und "leer" in 20 Stunden, 200 Ah benötigt, um beinahe wieder vollständig geladen zu sein.

28 28 4. Das Laden der Batterie mit der Lichtmaschine oder dem Batterieladegerät 4.1 Die Lichtmaschine Standard-Lichtmaschinen sind mit eingebautem Regler mit Temperaturkompensation ausgerüstet. Die Temperatur wird im Regler selbst gemessen. Ausgangspunkt ist die Situation in Autos, wo die Batterietemperatur grob der Temperatur des Reglers entspricht. Des weiteren ist die Batterie in Autos fast immer vollständig geladen. Die Batterie wird lediglich beim Anlassen des Motors ein wenig entladen. Danach liefert die Lichtmaschine ständig Strom, selbst im Leerlauf, um sowohl alle Verbraucher mit Strom zu versorgen als auch die Batterie wieder aufzuladen. Da die Batterie nur wenig entladen wird, und weil meistens genug Ladezeit zur Verfügung steht, ist die Anhebung der Spannung auf Gasungsspannungsniveau, wie in Punkt besprochen, überflüssig. Die Lichtmaschine lädt mit Strom, dessen Höhe von der Motordrehzahl abhängig ist. Ist die eingestellte Ladeerhaltungsspannung erreicht, bleibt die Lichtmaschine konstant auf dieser Spannung. Im allgemeinen ist die Spannung auf 2,33 V/Zelle eingestellt,, d.h. 14V für 12V Systeme und 28V für 24V Systeme. Dieses Ladesystem arbeitet perfekt unter folgenden Bedingungen: - Die Batterie ist eine Starter-Batterie mit dünnen Platten - Die Batterie ist fast immer vollständig geladen - Der Temperaturunterschied zwischen Lichtmaschine und Batterie ist nicht zu hoch - Der Spannungsabfall im Kabel zwischen Batterie und Lichtmaschine ist vernachlässigbar (d.h. unter 0,1V) Sobald eine der obigen Bedingungen nicht zutrifft, treten sofort Probleme auf. Die folgenden Punkte erläutern Schritt für Schritt die Praxis des Ladens einer Bordnetz-Batterie. 4.2 Eine Lichtmaschine muss sowohl die Starter- als auch die Bordnetz- Batterie laden Dies ist die normale Situation auf kleineren Schiffen. Um sicherzugehen, dass die Maschine immer gestartet werden kann, sind alle Verbraucher (Navigationsausrüstung, Licht, Autopilot, Kühlschrank) getrennt an einer zweiten Batterie, der Bordnetz-Batterie angeschlossen. Die Starter-Batterie dient nur zum Starten der Maschine und darf niemals entladen werden, weil sonst eben die Maschine nicht mehr zu starten ist. Die Batterien sind beim Entladen durch ein Relais oder durch Trenndioden getrennt, oder es werden bei größeren Systemen zwei Lichtmaschinen eingesetzt. Wichtig: Das Trennen der Batterien mittels des bekannten 75A Bosch-Relais, das die Batterien während des Ladens parallel schaltet und sie trennt, sobald die Maschine