Bordelektrik Teil 7 – Batteriemanager, Voltmeter und Strommessung

In diesem Teil der Serie zur Erneuerung der Bordelektrik widmen wir uns mit Batteriemanagern. Wir zeigen wie der Shunt am besten verkabelt wird und an welcher Stelle im Schaltplan der Bootselektrik ein Batteriemanager eingesetzt werden sollte. Vorher gehen wir außerdem auf Voltmeter zur Spannungsmessung und Methoden der Strommessung ein.

Die Übersicht zu allen Beiträgen in dieser Serie findet ihr hier: Bordelektrik


Danksagung

Die Artikel in diesem Bereich basieren auf dem hervorragenden PDF von Manfred Kosthorst. Manfred hat auf seiner Homepage einige sehr interessante Beiträge zum Thema Refit veröffentlicht. Leider ist er vor einigen Jahren verstorben. Wir haben die freundliche Genehmigung seiner Angehörigen, Manfreds Arbeit als Grundlage für diese Beiträge zu verwenden. Wir werden die Anleitungen sukzessive erweitern und auf den neuesten Stand bringen. So bleibt dieser Schatz an Informationen weiterhin zugänglich und aktuell.


Ein digitales Voltmeter

Bevor wir uns mit dem Batteriemanager befassen, zuna?chst eine einfache Lo?sung. Will man wissen, wie es um den elektrischen Energiehaushalt bestellt ist, so gibt es mehrere Mo?glichkeiten. Die einfachste (aber auch ungenaueste) Methode ist es, ein Voltmeter zum Messen der Spannung einzubauen.

Dazu muss man ein wenig wissen, wie eine Batterie aufgebaut ist, na?mlich aus 6 Zel- len à 2V.

  • Leer ist die Batterie, wenn man an einer Zelle weniger als 1,9V misst.
  • Zu einem Viertel (25%) ist sie geladen mit 2,01V pro Zelle
  • Bei halb vollen (ca. 50%) Batterien betra?gt die Zellenspannung ca. 2,04V.
  • Dreiviertel voll (75%) ist sie bei einer Zellspannung von 2,075V
  • Eine volle Batterie hat eine Zellspannung zwischen 2,3V und 2,45V, wobei der letztere Wert schon sehr nahe an der Gasungsspannung liegt.

Analog dazu kann man also folgende Aussage machen

Abhängigkeit von Ladezustand zur Batteriespannung

LadezustandZellspannungBatteriespannung
Leer< 1,9 V< 11,40 V
25 %2,01 V12,06 V
50 %2,04 V12,24 V
75 %2,075 V12,45 V
Voll> 2,3 V> 13,80 V

Um diese Spannungen genau messen zu ko?nnen, braucht man dann schon ein digi- tales Voltmeter mit 2 Stellen hinter dem Komma. Analoge Messgera?te (Bild rechts) helfen hier nicht wirklich weiter.

So eine digitale Anzeige (z.B. EX 2070 von Beckmann&Egle) gibt es bei Conrad (Bild links). Auch wenn hier nur eine Kommastelle
zu sehen ist, mit Hilfe von kleinen Steckern auf der Ru?ck- seite werden Messbereiche und Kommastellen festgelegt. Der Anschluss ist relativ einfach.

Wichtig ist: Messen der Batteriespannung unter Last ohne Ladevorgang!

Da diese Anzeige keine eigene Versorgungsspannung beno?tigt (die Versorgungs- spannung darf zwischen 7V und 30V betragen), wird sie einfach am Pluspol der Bat- terie und an Masse angeschlossen.

Absicherung mit Varistor

Allerdings, und das haben wir gerade eben bei der Zellspannung gelernt hat die Bat- terie im vollen Zustand eine Spannung gro?ßer 13,8V. Beim Einschalten und beim Laden ko?nnen kurzzeitig (wenn auch selten) Spannungsspitzen bis u?ber 30 V auftre- ten. Diese wu?rden ausreichen, um unsere Digitalanzeige zu zersto?ren. Deshalb schaltet man einen Varistor (im Anschlussschema rot eingezeichnet) parallel zur An- zeige.

Es handelt sich in diesem Fall um einen spannungsabha?ngigen Widerstand(VDR) EPCOS Typ S05K17. Er verhindert, dass unsere Anzeige durch Spannungsspitzen zersto?rt wird. Ho?rt sich teuer an, ist aber nicht so, a?hnlich wie ein normaler Wider- stand kostet er nur wenige Cent (ca. 0,25 EUR). Wir sollten deshalb auf ihn nicht verzichten. Im Plan sehen wir, wie diese digitale Anzeige in unsere Schaltung inte- griert wird.

Eine andere Anzeige ist das Modul EX2068. Es hat noch ein zusa?tzliches blaues An- schlusskabel, es wird aber genau wie das EX2070 mit rot gelb und schwarz ange- schlossen. Das blaue Kabel wird bei Spannungsmessungen nicht beru?cksichtigt.

Da Anzeigen anderer Hersteller zum Teil andere Anschlusskabel besitzen, oder auch wie schon erwa?hnt eine separate Versorgungsspannung beno?tigen, gilt das gezeigte Anschlussschema nur fu?r diese Anzeige und ist deshalb in rot eingezeich- net.

Um aber einen verla?sslichen Messwert zu erhalten, muss die Batterie eine zeitlang (Stunden) ruhen und darf dabei nicht geladen werden. Erst wenn der Wert (V) nicht mehr schwankt, gelten die abgelesenen Werte als O.K.

Prinzip der Fremdspannungsmessung
Fremdspannungsmessung in der Schaltung

Der Vollsta?ndigkeit halber, man kann mit dem EX2068 auch eine Fremd- spannung messen, z.B. die eines So- larmodules, aber auch jede andere.

Dazu muss das Anschlussschema aber etwas gea?ndert werden. Die Versorgungs- spannung kommt wie gehabt aus unserem Netz und auch hier setzen wir wie gehabt zur Sicherheit den Varistor (VDR) mit ein.

Sehen wir mal von der Messung einer Fremdspannung ab, ist es schon ein bisschen viel Aufwand, wenn man bedenkt, dass man nur einen ungefa?hren Anhaltspunkt (25%, 50% u.s.w.) u?ber den Ladezustand der Batterie erha?lt.

Eine digitale Strommessung

Etwas aussagekra?ftiger wa?re es schon, wenn wir wu?ssten, wie viel Strom wir gerade unserer Batterie entnehmen oder gar durch Laden zufu?hren. Auch hier reicht im Prinzip eine einfache Digitalanzeige, die allerdings etwas anders als das digitale Voltmeter in unsere Verkabelung eingebunden wird. Dafu?r nehmen wir das gerade schon vorgestellte EX2068 und diesmal kommt auch das blaue Kabel zum Einsatz. Allerdings beno?tigen wir einen zusa?tzlichen Messwiderstand, einen Shunt. Ein Shunt ist ein niederohmiger elektrischer Messwiderstand. Der Strom, der durch einen Shunt fließt, verursacht einen proportionalen Spannungsabfall, der zur Messung des elekt- rischen Stromes verwendet wird. Betra?gt der Spannungsabfall u?ber einen Wider- stand von 1? = 1V, so fließt ein Strom von 1 A. Das kennen wir noch vom Ohm- schen Gesetz (U = I x R oder I = U/R). Beha?lt man das Verha?ltnis 1 ? zu 1V oder 1 m? zu 1 mV (=0,001? zu 0,001V) bei, so kann man den Strom direkt in A ablesen.

Anschlussschema Prinzip der Strommessung

Dieses Bild zeigt die Prinzipschaltung. Da es aber aufgrund der La?nge der Messleitungen zu Spannungsabfa?llen im Microvoltbereich kommen kann (das Messergebnis wa?re verfa?lscht), gibt es fu?r dieses Modul eine Anschlussmo?glichkeit, die den Fehler eliminiert. Wie die Schal- tung aussieht, im na?chsten kleinen Schaltbild (links).

Die schwarze Anschlussleitung wird mit auf den Shunt gelegt. (siehe Plan)

Das Schaltzeichen fu?r den Die Shunt sieht so aus:

In unserem Gesamtschaltbild sieht das nun so aus. Auch hier wieder in rot, da es eine Zusatzoption darstellt.

Ein Plus als Vorzeichen bedeutet, die Batterie wird geladen, ein Minus zeigt an wie viel Strom entnommen wird.

Wahl des Shunts

Je nachdem, welche Stromsta?rken man messen mo?chte (wir haben mit der Anzeige 199,9 mV und einem Shunt von 1 m? einen Bereich bis zu 199,9A gewa?hlt) kann man durch Auswahl des Shunts und eines entsprechenden Anzeigebereiches, auch den Messbereich a?ndern. Folgende kleine Tabelle soll als Anhalt dienen.

MessbereichWiderstandswert Shunt
0..19,9 mA10 ?
0..199,9 mA1 ?
0..1,999 A100 m?
0..19,99 A10 m?
0..199,9 A1 m?

Wichtig fu?r die wie in unserem Plan geschaltete Anzeige ist, a) der Messbereich soll- te den max. Stromfluss abdecken und b) der Shunt sollte fu?r eben den gleichen aus- gelegt sein. Nachfolgend der Plan mit beiden Anzeigen Spannungs- und Strommes- sung.

Der Varistor liegt parallel zu beiden Anzeigen und darf nur einmal eingesetzt werden.

Natu?rlich verbrauchen so digitale Anzeigen auch Strom. Der ist aber, je nachdem welches Modul zum Einsatz kommt, mit 5 – 25 mW fast vernachla?ssigbar.

So informativ die Werte u?ber entnommenen und zugefu?hrten Strom auch sind, sie geben leider keinerlei Auskunft u?ber den derzeitigen Status unserer Batterie. Wie viel “Saft“ ist noch drin und wie lange kann ich mein Navi noch betreiben. Hier hilft einzig und allein ein Batteriemanager.

Das Bild links zeigt den Einsatz eines digitalen Voltmeters. Aufgrund der Bauweise, ist es ideal geeignet fu?r den Einbau in Frontplatten oder Schaltschra?nke.

Hier im Bild leider noch mit einer Schutzfolie versehen.Die Anzeige ist ansonsten glasklar und sehr gut ablesbar.

Der Batteriemanager

Gegenu?ber einer einfachen digitalen (aber dafu?r kostengu?nstigen) Spannungs- und Stromanzeige ist der Batteriemanager gleich leider um ein Vielfaches teurer. Er lie- fert dafu?r erscho?pfende Auskunft u?ber den aktuellen Status der Batterie.
Im Zuge der Erneuerung meiner elektrischen Anlage habe ich 2001 einen Batterie- manager DCC4000 von Magnetronic eingebaut, der bis heute ohne Fehler alle fu?r mich relevanten Daten liefert, wie

  • Spannungsmessung an der Versorgungsbatterie
  • Strommessungen (Entnahme und Ladung)
  • Ladungszustand der Batterie in %
  • Ladungszustand in Ah
  • Akustisches Signal bei Gefahr von Tiefenentladung
Batteriemanager DCC4000

Der DCC4000 (Es gibt aber auch viele andere gute Batteriemanager!) ist ein microp- rozessorgesteuertes, intelligentes U?berwachungssystem mit Auto Focus (das Kom- ma und damit die Nachkommastellen werden automatisch gesetzt). Dadurch ko?nnen auch Stro?me im Bereich um 10 mA gemessen werden (wichtig zur Leckstromermitt-lung). Unter Beru?cksichtigung der Anzahl von Ladezyklen wird die Alterung und damit die im Laufe der Zeit verminderte Kapazita?t der Bat- terie beru?cksichtigt.

Nachfolgend der Plan, wie der Batteriemanager in die Verkabelung mit eingebunden wird.

Im Bild oben links mein Batteriemanager

Deutlich erkennt man die Parallelen zum Einbinden der Einzelinstrumente. Auch hier die Strommessung u?ber den Shunt. Allerdings zusa?tzlich mit F10 eine fliegende Sicherung, die direkt am Batteriemanager bereits installiert ist. Ebenfalls zusa?tzlich noch die Mo?glichkeit, u?ber einen externen Schalter das Display zu erleuchten.

Einbau an Bord

Oben links der Batteriemanager, darunter eine kleine selbstgemachte Frontplatte mit 2 Druckschaltern (1 x Licht fu?r das Display am Batteriemanager und der rote Druckschalter geho?rt zum Ladestromverteiler (s. letzter Bericht) zum Reduzieren der Ladespannung fu?r die Starterbatterie) Ebenfalls auf der kleinen Frontplatte 2 LED als abgesetzte Anzeige fu?r das Batterieladegera?t. Eine gelbe LED zeigt an wenn die Batterie (mit 220V) la?dt und eine gru?ne LED signalisiert eine volle Versorgungsbatterie. Eine 3. rote LED unter dem roten Schalter, die anzeigt dass die Ladespannungsreduzierung eingeschaltet ist.

Vom Batteriemanager habe ich nur die Anschlu?sse 1,2,3,8 und 9 eingezeichnet. Nicht beru?cksichtigt habe ich z.B. die Anschlu?sse fu?r die akustische Warnung, oder die Anschlu?sse fu?r das Trennen der Batterie, wenn die Batterie zu weit entladen wird.

Zusammenfassung

Im Folgenden noch mal die kompletten Pla?ne plus zusa?tzlicher Schaltung des La- destromverteilers in groß.

Am Ladestromverteiler ein Schalter fu?r die Reduzierung der Ladespannung bei lan- ger Motorfahrt, damit die Starterbatterie nicht u?berladen wird. Ein zweiter Tastschal- ter fu?r den Notstart, damit werden beide Batterien (Versorgung und Starter) parallel- geschaltet.

Auch die Fernanzeige des Philippi-Ladegera?tes als Option in rot mit eingezeichnet. Eine gelbe LED als Ladekontrolle und eine gru?ne LED die anzeigt, dass die Batterie voll ist.

Gesamtplan mit separater Spannungs- und Stromanzeige. Die Spannungsanzeige (V) ist hier schaltbar zwischen Starter- und Versorgungsbatterie dargestellt. Da zur Starterbatterie meist ein la?ngeres Kabel erforderlich wird, bitte in Batteriena?he die Sicherung nicht vergessen.
Gesamtplan mit Batteriemanager

So, das war’s erst einmal. Ich hoffe, der Ausflug in die Erneuerung der Bootselektrik hat etwas Spaß gemacht. Und wenn dann noch ein paar kleine Zusammenha?nge zwischen Spannung, Strom, Widerstand und Leistung etwas versta?ndlicher gewor- den sind, umso besser.

Die Fachleute mo?gen mir verzeihen, wenn ich nicht immer alle Zeichen normgerecht dargestellt habe, mir kam es weniger auf einen wissenschaftlichen Ansatz an, mehr aber, die Thematik versta?ndlich darzustellen, was zugegebenermaßen mit einigen Kompromissen verbunden war. Und wer noch Fragen hat, der darf mich gerne an- sprechen.

In diesem Sinne

Beste Gru?ße

Manfred