Batteriemanager, Voltmeter und Strommessung an Bord (Bootselektrik)

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.

Wir bedanken uns außerdem bei den Firmen Victron Energy und TransWatt für die Unterstützung und Beratung.

Ein digitales Voltmeter

Bevor wir uns mit dem Batteriemanager befassen, zunächst eine einfache Lösung. Will man wissen, wie es um den elektrischen Energiehaushalt bestellt ist, so gibt es mehrere Möglichkeiten. 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, nämlich aus 6 Zellen 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 beträgt 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

Ladezustand Zellspannung Batteriespannung
Leer < 1,9 V < 11,40 V
25 % 2,01 V 12,06 V
50 % 2,04 V 12,24 V
75 % 2,075 V 12,45 V
Voll > 2,3 V > 13,80 V

Um diese Spannungen genau messen zu können, braucht man dann schon ein digitales Voltmeter mit 2 Stellen hinter dem Komma. Analoge Messgeräte (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 Kommastellezu sehen ist, mit Hilfe von kleinen Steckern auf der Rückseite 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 benötigt (die Versorgungsspannung darf zwischen 7V und 30V betragen), wird sie einfach am Pluspol der Batterie und an Masse angeschlossen.

Absicherung mit Varistor

Allerdings, und das haben wir gerade eben bei der Zellspannung gelernt hat die Batterie im vollen Zustand eine Spannung größer 13,8V. Beim Einschalten und beim Laden können kurzzeitig (wenn auch selten) Spannungsspitzen bis über 30 V auftreten. Diese würden ausreichen, um unsere Digitalanzeige zu zerstören. Deshalb schaltet man einen Varistor (im Anschlussschema rot eingezeichnet) parallel zur Anzeige.

Es handelt sich in diesem Fall um einen spannungsabhängigen Widerstand(VDR) EPCOS Typ S05K17. Er verhindert, dass unsere Anzeige durch Spannungsspitzen zerstört wird. Hört sich teuer an, ist aber nicht so, ähnlich wie ein normaler Widerstand 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 integriert wird.

Eine andere Anzeige ist das Modul EX2068. Es hat noch ein zusätzliches blaues Anschlusskabel, es wird aber genau wie das EX2070 mit rot gelb und schwarz angeschlossen. Das blaue Kabel wird bei Spannungsmessungen nicht berücksichtigt.

Da Anzeigen anderer Hersteller zum Teil andere Anschlusskabel besitzen, oder auch wie schon erwähnt eine separate Versorgungsspannung benötigen, gilt das gezeigte Anschlussschema nur für diese Anzeige und ist deshalb in rot eingezeichnet.

Um aber einen verlässlichen 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 Vollständigkeit halber, man kann mit dem EX2068 auch eine Fremdspannung messen, z.B. die eines Solarmodules, aber auch jede andere.

Dazu muss das Anschlussschema aber etwas geändert werden. Die Versorgungsspannung 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 ungefähren Anhaltspunkt (25%, 50% u.s.w.) über den Ladezustand der Batterie erhält.

Eine digitale Strommessung

Etwas aussagekräftiger wäre es schon, wenn wir wüssten, wie viel Strom wir gerade unserer Batterie entnehmen oder gar durch Laden zuführen. Auch hier reicht im Prinzip eine einfache Digitalanzeige, die allerdings etwas anders als das digitale Voltmeter in unsere Verkabelung eingebunden wird. Dafür nehmen wir das gerade schon vorgestellte EX2068 und diesmal kommt auch das blaue Kabel zum Einsatz. Allerdings benötigen wir einen zusätzlichen 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 elektrischen Stromes verwendet wird. Beträgt der Spannungsabfall über einen Widerstand von 1? = 1V, so fließt ein Strom von 1 A. Das kennen wir noch vom Ohmschen Gesetz (U = I x R oder I = U/R). Behält man das Verhältnis 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 Länge der Messleitungen zu Spannungsabfällen im Microvoltbereich kommen kann (das Messergebnis wäre verfälscht), gibt es für dieses Modul eine Anschlussmöglichkeit, die den Fehler eliminiert. Wie die Schaltung aussieht, im nächsten kleinen Schaltbild (links).

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

Das Schaltzeichen für 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 Stromstärken man messen möchte (wir haben mit der Anzeige 199,9 mV und einem Shunt von 1 m? einen Bereich bis zu 199,9A gewählt) kann man durch Auswahl des Shunts und eines entsprechenden Anzeigebereiches, auch den Messbereich ändern. Folgende kleine Tabelle soll als Anhalt dienen.

Messbereich Widerstandswert Shunt
0..19,9 mA 10 ?
0..199,9 mA 1 ?
0..1,999 A 100 m?
0..19,99 A 10 m?
0..199,9 A 1 m?

Wichtig für die wie in unserem Plan geschaltete Anzeige ist, a) der Messbereich sollte den max. Stromfluss abdecken und b) der Shunt sollte für eben den gleichen ausgelegt sein. Nachfolgend der Plan mit beiden Anzeigen Spannungs- und Strommessung.

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

Natürlich verbrauchen so digitale Anzeigen auch Strom. Der ist aber, je nachdem welches Modul zum Einsatz kommt, mit 5 – 25 mW fast vernachlässigbar.

So informativ die Werte über entnommenen und zugeführten Strom auch sind, sie geben leider keinerlei Auskunft über 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 für den Einbau in Frontplatten oder Schaltschränke.

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

Der Batteriemanager

Gegenüber einer einfachen digitalen (aber dafür kostengünstigen) Spannungs- und Stromanzeige ist der Batteriemanager gleich leider um ein Vielfaches teurer. Er liefert dafür erschöpfende Auskunft über den aktuellen Status der Batterie.Im Zuge der Erneuerung meiner elektrischen Anlage habe ich 2001 einen Batteriemanager DCC4000 von Magnetronic eingebaut, der bis heute ohne Fehler alle für 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 microprozessorgesteuertes, intelligentes Überwachungssystem mit Auto Focus (das Komma und damit die Nachkommastellen werden automatisch gesetzt). Dadurch können auch Ströme im Bereich um 10 mA gemessen werden (wichtig zur Leckstromermitt-lung). Unter Berücksichtigung der Anzahl von Ladezyklen wird die Alterung und damit die im Laufe der Zeit verminderte Kapazität der Batterie berücksichtigt.

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 über den Shunt. Allerdings zusätzlich mit F10 eine fliegende Sicherung, die direkt am Batteriemanager bereits installiert ist. Ebenfalls zusätzlich noch die Möglichkeit, über 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 für das Display am Batteriemanager und der rote Druckschalter gehört zum Ladestromverteiler (s. letzter Bericht) zum Reduzieren der Ladespannung für die Starterbatterie) Ebenfalls auf der kleinen Frontplatte 2 LED als abgesetzte Anzeige für das Batterieladegerät. Eine gelbe LED zeigt an wenn die Batterie (mit 220V) lädt und eine grüne 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 Anschlüsse 1,2,3,8 und 9 eingezeichnet. Nicht berücksichtigt habe ich z.B. die Anschlüsse für die akustische Warnung, oder die Anschlüsse für das Trennen der Batterie, wenn die Batterie zu weit entladen wird.

Zusammenfassung

Im Folgenden noch mal die kompletten Pläne plus zusätzlicher Schaltung des Ladestromverteilers in groß.

Am Ladestromverteiler ein Schalter für die Reduzierung der Ladespannung bei langer Motorfahrt, damit die Starterbatterie nicht überladen wird. Ein zweiter Tastschalter für den Notstart, damit werden beide Batterien (Versorgung und Starter) parallelgeschaltet.

Auch die Fernanzeige des Philippi-Ladegerätes als Option in rot mit eingezeichnet. Eine gelbe LED als Ladekontrolle und eine grüne 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 längeres Kabel erforderlich wird, bitte in Batterienähe 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 Zusammenhänge zwischen Spannung, Strom, Widerstand und Leistung etwas verständlicher geworden sind, umso besser.

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

In diesem Sinne

Beste Grüße

Manfred

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