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Stromversorgung
Abhängig von den jeweiligen Anforderungen gibt es viele Möglichkeiten die Stromversorgung auf einer Yacht zu realisieren. Vielleicht bekomme ich auch deshalb immer wieder Mails mit ensprechenden Fragen. Diese Fragen nach dem Wie und und Warum möchte ich zum Anlass nehmen einmal die Philosophie, die der Versorgung mit elektrischem Strom auf der MERGER zugrunde liegt, vorzustellen und zu erläutern. Ich möchte ausdrücklich betonen: So denke ICH darüber und habe es für MICH als gut befunden. Selbstverständlich sind auch noch andere ebenfalls praktikable Lösungen für die gleichen bzw. ähnliche Problemstellungen denkbar. Simpel, übersichtlich und damit in der Anwendung zuverlässig ist das Kernziel meiner Lösung. Trotzdem möchte ich auch andere mögliche Varianten ansprechen.
Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Stromversorgung an Bord der MERGER. Um die Übersichtlichkeit zu verbessern habe ich alles, was zum Verständnis der Schaltung nicht notwendig ist, weggelassen. Auf einem GFKBoot wie meinem gibt es keine elektrische Masse im eigentlichen Sinn. Das elektrische Symbol soll lediglich verdeutlichen, dass alle diese Punkte untereinander verbunden sind ohne die Zeichnung zu unübersichtlich zu machen. Nicht hier dargestellt ist, dass mit diesem Potential auch die Motormasse verbunden ist. Saildrive und Kiel sind elektrisch dagegen isoliert. |
Die Stromversorgung baut weitgehend auf dem von Bavaria ausgelieferten Urzustand auf, wurde aber im Laufe der Jahre sanft verändert. Bei der MERGER handelt es sich ja nicht um eine Charteryacht, bei der man davon ausgehen kann, dass sie jeden Abend im Hafen liegt. Eine von Landstrom unabhängige Energieversorgung ist mir deshalb wichtig und weitere Ergänzungen für Solarstrom werden in den nächsten Jahren (inzwischen erfolgt (Mai 2011)) folgen.
Batterien
Die Batterien sind das "Herz" der gesamten Stromversorgung. Batterien auf Bleibasis sind derzeit noch Standard. Aber auch da gibt es verschieden Varianten. Besonders Typ und Dimensionierung wollen gut überlegt sein. Einen Fehler, den man bei deren Auswahl macht, läßt sich an anderer Stelle wenn überhaupt nur schwer wieder ausbügeln. Es lohnt sich deshalb, sich intensiv damit zu beschäftigen. Das Gesamtkonzept baut auf zwei von einander völlig unabhängigen Batterieblöcken auf. Es gibt eine Starterbatterie, die ausschließlich zum Starten des Motors und für die Motorelektronik verwendet wird, und einen Servicebatterieblock für alles andere.
Über die Starterbatterie muss man nicht lange diskutieren. Aufgabe einer solchen Batterie ist für möglichst mehrere auch kurz auf einander folgende Startvorgänge die notwendige elektrische Leistung liefern zu können. Dabei fließt während des Vorglühens und besonders beim direkt darauf folgenden Anlassen ein sehr hoher Strom. Danach wird die Batterie durch den laufenden Motor sofort wieder geladen. Starterbatterien, wie sie auch in Kraftfahrzeugen verwendet werden, sind für solche Anforderungen gebaut und im KFZ-Zubehörhandel preiswert zu bekommen. Die Größe der Batterie richtet sich nach der Empfehlung des Motorenherstellers. Für meinen VP 2020 verwende ich eine mit 56 Ah.
Für die Servicebatterie, die außer der Motorelektrik alles andere an Bord versorgt, ist die Entscheidung dagegen nicht so einfach. Hier fließen eher kleinere Ströme über eine lange Zeit. Das sind völlig andere Anforderungen als bei Starterbatterien, weshalb Batterien aus dem KFZ-Zubehör eher nicht optimal sind. Geeignete Batterien werden oft mit "besonders zyklenfest" beworben. Man findet sie im Wohnwagen- bzw. Yachthandel oder auch im Zusammenhang mit Solaranlagen. Welchen Typ man einsetzt hängt von den speziellen Anforderungen ab. Offene Säurebatterien sind die billigsten. Sie haben den Vorteil, dass man die Säure jederzeit nachfüllen kann aber auch den auf einem Segelboot entscheidenden Nachteil nicht kippsicher zu sein. Man darf sie deshalb nur in einem ensprechend abgedichteten speziellen Batteriekasten montieren. Für geschlossene Säurebatterien gilt das nicht. Bei Gelbatterien ist die Säure in einem Gel gebunden und kann nicht auslaufen. Solche Batterien können auch über Kopf betrieben werden. Anforderungen dieser Art hat man normalerweise auf einem Fahrtensegler nicht. In den letzten Jahren sind sogenannte AGM-Batterien auf den Markt gekommen. Ihre Anwendung wird auch in Seglerkreisen immer wieder heiß diskutiert. AGM steht für Absorbent Glass Mat, die Säure ist also in einer Glasfiebermatte gebunden. Damit haben AGMs ähnliche Eigenschaften wie Gelbatterien. Zusätzlich sind sie auch noch in der Lage große Spitzenströme liefern zu können. Sie eignen sich daher besonders als Starterbatterien für große Motoren bzw. können für normale Motoren kleiner dimensioniert werden. AGMs sind etwa 3 mal so teuer wie normale Batterien können aber auch etwa 3 mal schneller geladen werden. Das ist auch ihr eigentlicher Vorteil beim Einsatz als Bordbatterie. Im Umkehrschluss bedeutet das aber auch, dass sich die Ausgabe nur dann lohnt, wenn man die dafür erforderlichen Ladeströme liefern kann. Sinnvoll eingesetzte AGMs haben deshalb meistens Folgekosten in Form von entsprechend leistungsfähigen Ladeeinrichtungen,. Man prüfe also genau, ob man sie wirklich braucht.
Am wirtschaftlichsten wird eine Batterie im Ladezustand zwischen 50 und etwa 80% betrieben. Tiefentladungen unter 50% sollten vermieden werden, da dies auf die erreichbare Zyklenzahl und damit auf die Lebensdauer geht. Über 80% geht die Ladung immer langsamer. Durch elektronische Tricks wie IUoU-Ladung läßt sich diese Grenze noch etwas nach oben erweitern aber das ändert nichts am grundsätzlichen Problem des exponentiell verlaufenden Ladevorganges. Dies muss man bei der Dimensionierung der Batterien berücksichtigen. Für eine Stromversorgung, die wenigstens ein paar Tage Unabhängigkeit ohne Nachladung gibt, kommt man leicht auf mehrere hundert Amperestunden (Ah). Solche Batterien lassen sich schon aus Gewichtsgründen normalerweise nur realisieren indem man mehrere zu einem Block zusammenschaltet. Damit alle Batterien eines Blocks gleichmäßig belastet werden, müssen sie weitestgehend gleich d. h. nicht nur vom gleichen Typ und gleicher Größe sein, sondern möglichst noch aus der gleichen Fertigungscharge stammen. Man sollte also alle Batterien eines Blocks gemeinsam kaufen.
An Seglerstammtischen bekommt man immer wieder Empfehlungen für bestimmte Batterietypen, weil diese angeblich besonders lange halten sollen. Bei genauem Hinsehen sind solche Behauptungen selten haltbar. Eine Batterie wird immer dann alt, wenn man sie spezifikationsgerecht behandelt. In der Spezifikation ist auch die Anzahl der vom Hersteller garantierten Lade-/Entladezyklen angegeben. Eine hohe Zahl dort ist ein Hinweis auf ein langes Leben. Noch wichtiger ist aber eine richtige Behandlung der Batterie, deren Anforderungen auch im Datenblatt stehen. Als Faustregel kann man sagen: Nicht überladen (also nicht ständig am Ladegerät lassen), möglichst schnell wieder aufladen und vor allen Dingen Tiefentladungen unbedingt vermeiden. (Überlegungen zu Batterieauswahl, März 2011)
Bild 2: Bei der Parallelschaltung von zwei Batterien erfolgen die Anschlüsse diagonal "über Kreuz". |
Aus Gewichtsgründen ist es oft nicht möglich parallel zu einem Block verschaltete Batterien in unmittelbarer räumlicher Nähe zu montieren. Dadurch entstehen zwangsläufig längere Leitungen, deren Widerstände man nicht vernachlässigen darf. Um beide Batterien wirklich gleichmäßig zu belasten ist es deshalb wichtig, dass der Anschluss diagonal über Kreuz erfolgt.
Unter Berücksichtigung aller aufgeführten Aspekte habe ich mich enschieden auf der MERGER als Servicebatterie zwei normale aber geschlossene Batterien mit flüssiger Säure und jeweils nominal 143 Ah von Vetus zu verwenden. Beide sind parallel geschaltet und können somit als eine Batterie betrachtet werden. Damit steht eine nutzbare Kapazität von etwa 120 Ah zur Verfügung. Unseren Strombedarf deckt das für etwa zwei bis drei Tage Als Starterbatterie dient eine 56 Ah Arktis von ATU. Beide Firmen vertreiben die Batterien unter ihrem Namen. Wer die wirklichen Hersteller sind, entzieht sich meiner Kenntnis.
Überwachung des Ladezustandes
Aus vorstehenden Ausführungen wird ersichtlich, dass es sehr wichtig ist, den Ladezustand der Batterien ständig zu überwachen. Vernünftig kann man dies nur mit einem Batteriecontroller. Man beachte bitte, dass der dazugehörige Shunt in obiger Schaltung (Bild 1) so angeordnet ist, dass er nur den Strom der Servicebatterien erfasst. Der Ladezustand der Starterbatterie muss dagegen nicht besonders überwacht werden, da diese ja ausschließlich zum Starten verwendet wird und deshalb sowieso immer geladen ist. Zum Batteriecontroller gibt es bereits seit langem ein eigenes Kapitel, weshalb ich mir Weiteres dazu hier sparen kann (Batteriecontroller).
Ladestrategie
Da die Starterbatterie nur für den Motor benutzt wird, wird sie auch ausschließlich über die Lichtmaschine (LIMA) geladen. Alles andere ist überflüssig und macht die Schaltung nur unnötig kompliziert. (Zweifler mögen bedenken, dass im Auto die Batterie auch ausschließlich über die LIMA geladen wird.) Nur bei Ladung über die Lichtmaschine werden deshalb sowohl Starter- als auch Servicebatterie geladen. Alle anderen Lademöglichkeiten wie Landstrom und alternative Energiequellen, die bei mir evt. noch zu einem späteren Zeitpunkt nachgerüstet werden, laden ausschließlich den Serviceblock.
Um bei Motorbetrieb Starter- und Servicebatterie gleichzeitig zu laden, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gängig ist bspw. beide Batterien durch ein von der LIMA gesteuertes Relais parallel zu schalten. Diese Methode (Bild 3) ist technisch überholt und hat gravierende Nachteile. Wenn man praxisgerecht davon ausgeht, dass nach Starten des Motors die Starterbatterie immer noch recht gut geladen, die Bordbatterie dagegen weitgehend leer ist, wird über das Relais ein hoher Ausgleichsstrom fließen, der die Service- zu Lasten der Starterbatterie lädt. Dies ist insbesondere deshalb nicht vermeidbar, weil die LIMA im Leerlauf selbst nur sehr wenig Strom erzeugt. In Extremfällen kann dieser Ausgleichstrom mehr als 100 A betragen, was wiederum dazu führen kann, dass die Schaltkontakte des Relais verschweißen. Dies ist ein häufiger Fehler von solchen Schaltungen. Man spricht dann von einem "klebenden" Relais. Einziger Vorteil ist, dass keine Spannungsabfälle entstehen, wie dies bei elektronischen Lösungen häufig vorkommt.
Bild 3: Trennung der Batterien über Relais |
Bild 4: Trennung der Batterien über Dioden |
Bild 5: Trennung der Batterien über Einzeldode |
Elektronische Trenneinrichtungen, die dafür sorgen das Strom ausschließlich von der Lichtmaschine in die Batterien fließen kann, galten früher als teuer und anfällig. Außerdem sagte man ihnen nach, dass sie durch entstehende Spannungsabfälle die Batterien nicht richtig laden würden. Beides sind Märchen aus alter Zeit die, wenn man es richtig macht, heute nicht mehr stimmen. In Bild 4 werden die beiden Batterien sauber durch Dioden voneinander getrennt. Gegenseitige Entladungen können deshalb nicht stattfinden. Gravierender Nachteil ist ein unerwünschter Spannungsabfall von ca. 0,6 V an den Dioden, der dazu führt, dass die Batterien nicht mehr richtig geladen werden. Um dies zu vermeiden kann man die Dioden durch einen sogenannten Ladeverteiler ersetzen. In diesen Schaltungen werden die Dioden durch moderne Hochleistungstransistoren ersetzt, an denen ein wesentlich geringerer Spannungsabfall ensteht. Leider sind Ladeverteiler wesentlich teurer als die simplen Dioden und vermeiden den unerwünschten Spannungsabfall immer noch nicht vollständig.
Schlaue Leute haben deshalb die Variante nach Bild 5 erfunden. Die Servicebatterie ist dabei direkt ohne Zwischenschaltung weiterer Bauteile an die Lichtmaschine angeschlossen und wird deshalb optimal geladen. Die Starterbatterie wird dagegen über eine Diode angeschlossen. Deren Spannungsabfall kann man vernachlässigen, da es bei der Starterbatterie sowieso nicht auf optimale Ladung ankommt. Zum Starten des Motors wird immer genügend Energie vorhanden sein. Den Nachteil dieser Schaltung erkennt man erst auf den zweiten Blick. Beim Starten des Motors fließt ein sehr hoher Anlasserstrom, der die Spannung der Starterbatterie kurzzeitig auf 8-10 V zusammenbrechen läßt. Dadurch fließt über die Diode ein entsprechend hoher Ausgleichsstrom von der Service- in die Starterbatterie. Dies ist einerseits unerwünscht, andererseits muss die Diode entsprechend ausgelegt sein. Ich würde für eine solche Schaltung mindestens eine 150 A Diode verwenden.
Die von mir bevorzugte in Bild 1 dargestellte Methode vermeidet all diese Nachteile. Im Prinzip entspricht sie der Diodenentkopplung von Bild 4. Entscheidender Unterschied ist, dass der Regler der Lichtmaschine die Istspannung nicht mehr wie oft üblich an B+ sondern über eine herausgeführte Leitung direkt an der Servicebatterie misst. Alle an Dioden und Leitungen entstehenden Spannungsabfälle werden dadurch erfasst und durch eine entsprechend höhere Spannung ausgeglichen. An der Batterie liegt damit genau die richtige Ladespannung an. Einziger Nachteil ist ein notwendiger Eingriff in die Lichtmaschine um den Spannungsfühler entsprechend heraus zu führen. In der Praxis ist das kein großes Problem. Die Motorenhersteller wissen das natürlich auch. An meinem Volvo-Penta ist so etwas deshalb Standard.
Wenn man es wirklich gut machen will, beschaltet man die LIMA zusätzlich mit einem Hochleistungsregler. Dieser macht aus der Lichtmaschine eine Ladeeinrichtung mit IUoU-Kennlinie und berücksichtigt außerdem noch das Temperaturverhalten der Batterie. Damit werden die Batterien bei Motorbetrieb genau so gut geladen wie sonst nur über die IUoU-Ladegeräte bei Landstrom. Wie das geht habe ich im Kapitel Sterlingregler ausführlich beschrieben. Andere Geräte wie der Lichtmaschinenlader von Sterling erfüllen den gleichen Zweck. Deren Vorteil einen Eingriff in die LIMA zu vermeiden, muss man allerdings mit wesentlich höherem Preis und einem schlechterem Wirkungsgrad bezahlen.
a
Andere Ladegeräte
Wie oben schon erwähnt laden andere Ladequellen ausschließlich die Servicebatterien. Derzeit setze ich für die Landstromladung ein 30 A-Gerät von Sterling ein. Alle drei Ausgänge sind parallel auf die Servicebatterie geschaltet. Man lasse sich nicht täuschen. Die drei Ausgänge sind nicht so unabhängig voneinander, wie es auf den ersten Blick scheint. Sie sind lediglich über Dioden voneinander entkoppelt, haben aber wohl aus Kostengründen nur einen gemeinsamen Regler. Wenn man, wie suggeriert wird, verschiedene Batterien an diese Ausgänge anschließt, bestimmt die zuerst geladene Batterie das Verhalten des Gerätes. Es erkennt die volle Batterie und schaltet auf Erhaltungsladung um. Damit erhalten die noch nicht geladenen Batterien nicht mehr die volle Spannung und werden entsprechend langsamer geladen. Wenn man wie oft praktiziert einen Ausgang auf die Bord- und einen anderen auf die Starterbatterie legt, bestimmt diese, weil sie sowieso fast nicht entladen ist, das Verhalten des Ladegerätes. Ein aufmerksamer Beobachter des Batteriecontrollers bemerkt sofort, dass das Ladegerät, schon lange bevor die entnommenen Amperestunden wieder in die Servicebatterie geladen wurden, auf Erhaltungsladung umschaltet. Dies kann man nur vermeiden indem man alle Ausgänge des Ladegerätes parallel auf die Servicebatterie klemmt. Eventuelle Bedenken, die Starterbatterie könnte bei ausschließlicher LIMA-Ladung nicht genügend geladen werden, sind wie oben bereits erläutert unbegründet.
Ein letztes Wort noch zur Auswahl des Ladegerätes. Es bringt nichts, wenn man dieses überdimensioniert. Da eine Batterie nur einen bestimmten Strom aufnehmen kann, wird sie mit einem zu großen Gerät auch nicht schneller geladen. Wenn man bedenkt, dass man sowieso mindestens eine Nacht im Hafen liegt, ist man mit einem Gerät, das ca. 10-15% der Batteriekapazität an Strom liefert, gut bedient. Bei AGM-Batterien dürfen es auch 40% sein.
Mit dieser hydraulischen Presse quetsche ich Kabelschuhe auf Kabel von 10, 16, 25, 35, 50, 75, 95 und 120 mm². Sicher keine Lösung für Profis aber für Gelegenheitspresser m. E. ideal. |
Nachtrag(Oktober 2011)
Eine ordentliche Crimpzange mit Ratsche zum Aufpressen von Kabelschuhen bis 6 mm² hat wohl jeder, der selbst Veränderungen an seiner Bordelektrik vornimmt. "Wie machst du das eigentlich mit den dicken Leitungen, wie man sie im Bereich der Batterien braucht?" werde ich immer wieder gefragt. Lange Zeit habe ich bei solcher Gelegenheit ziemlich gedruckst. Entsprechendes Werkzeugt ist teuer und man braucht es selten. Mangels anderer Möglichkeiten habe ich auch versucht mir mit Kabelschuhen zum Anschrauben zu helfen. Eine wenig befriedigende Lösung, die immer ein ungutes Gefühl zurückläßt. Ein Leser (Danke Ebi!) machte mich auf eine hydraulische Presse aus chinesischer Produktion aufmerksam. Sie ermöglicht Kabelschuhe und Hülsen von 10 bis 120 mm² normgerecht (?) sechseckig zu verpressen. Das Ergebnis sieht m.E. sehr vertrauenserweckend aus. Kabel und Kabelschuhe bekomme ich auch in Kleinstmengen günstig in einem örtlichen Elektrogroßhandel und das Kabel am Übergang zum Kabelschuh mit Schrumpfschlauch gegen möglicherweise eindringende Feuchtigkeit zu schützen ist sogar in Bastlerkreisen selbstverständlich.
BTW: Die Presse wird in Deutschland von verschiedenen Firmen angeboten. Ab knapp 70 Euro ist man dabei. M.E. eine lohnende Investition für Gelegenheitspresser wie mich. Auf Anfrage nenne ich gern Adressen.
a
Einbau eines Sterling Hochleistungsreglers (Pro-Digital)
Wenn man wie ich auf seinem Boot einen Batteriecontroller hat, ist man immer ziemlich genau über den aktuellen Ladezustand der Batterien informiert. Darüber hinaus sieht man sehr gut welches Gerät besonders viel Strom braucht aber auch durch welche Stromquelle die Batterien schnell wieder geladen werden. Dies hilft ungemein mit der auf einem Segler immer knappen Ressource Strom umzugehen. Beim Fahren unter Maschine fällt dabei sofort auf, dass der Akku abhängig von dessen Ladezustand mit max. 30 A und oft auch noch viel weniger geladen wird. Logisch, dass man diese Situation nicht gerade als befriedigend empfindet, wenn der Generator, im Umgangssprachgebrauch Lichtmaschine (LIMA) genannt, wesentlich mehr liefern könnte. Wie man dies ändern kann soll Thema dieses Kapitels meiner Webpage sein.
Bevor man überhaupt etwas ändert, tut man gut daran sich vorher genau über die Ist-Situation zu informieren. Einerseits darf man davon ausgehen, dass die Ingenieurkollegen ihr Handwerk verstehen und sich bei der Festlegung der Ladeschaltung etwas gedacht haben und andererseits um die richtige Stelle für einen eventuellen Eingriff zu finden. Deshalb erst einmal ein wenig Theorie vorweg.
a
Vorüberlegungen
Auf unseren Booten sind fast ausschließlich Bleisäurebatterien (Ich verwende in diesem Text die Begriffe "Batterie" und "Akkumulator" oder "Akku" synonym.) in verschiedenen Ausführungsformen in Gebrauch. Es soll deshalb hier genügen, sich ausschließlich mit diesen zu beschäftigen. Die verschiedenen Ausführungen wie offene, geschlossene, Gel oder AGM arbeiten alle nach dem gleichen Grundprinzip, unterscheiden sich aber in ihren Daten. Als Anwender muss uns nicht interessieren, wie die internen chemischen Vorgänge in einer Batterie genau ablaufen. Wir halten uns einfach an die Spezifikation des jeweiligen Herstellers, die u.a. auch das Verhalten beim Laden und Entladen exakt beschreibt. Trotzdem möchte die einigermaßen neutral gehaltene Seite der Firma Cadex weiter empfehlen, die m. E. einen recht guten Überblick gibt. Im Grunde reicht es aber zu wissen, dass beim Ladevorgang in der Batterie chemisch ein Stoff in einen anderen umgewandelt wird. Dieser Prozess geht anfangs, wenn bei einer leeren Batterie sehr viel vom Ausgangsmaterial zur Verfügung steht, recht schnell. Mit zunehmender Ladung steht dann aber immer weniger vom Ausgangsmaterial zu Verfügung, weshalb auch die Batterie weniger Strom aufnimmt. Als Elektrotechniker könnte man auch sagen: Der Innenwiderstand der Batterie wird mit zunehmender Ladung immer größer bis die Batterie geladen ist und dann keinen (in der Praxis einen geringen) Strom mehr aufnimmt. Beim Entladen passiert das gleiche genau umgekehrt. Für einen Entladestrom hat deshalb eine voll geladene Batterie einen niedrigen und eine leere Batterie einen hohen Innenwiderstand.
Das nebenstehende Prinzipschaltbild zeigt die Bordakkus und ihre Verschaltung mit der Lichtmaschine wie sie original von Bavaria geliefert wurde. Die Beschaltung entspricht den Vorgaben von Volvo Penta und dürfte deshalb auf vielen Booten mit VP-Motoren so oder so ähnlich zu finden sein. Um es nicht zu unübersichtlich zu machen habe ich alles, was für die Ladung keine Rolle spielt, weggelassen. Bord (286 Ah) - und Starterakku (56 Ah) sind über Dioden von einander getrennt. Lichtmaschinen funktionieren alle nach dem gleichen Prinzip: Über den Erregerstrom im Rotor wird dessen magnetisches Feld und damit die Spannung am Ausgang der Statorwicklungen (B+, B-) geregelt.Wird der Strom größer, steigt auch die Spannung, wird er kleiner, fällt sie. Die Steuerung des Erregerstroms übernimmt der Regler, der die Ausgangsspannung der LIMA so lange nach oben steuert bis die Spannung an der Batterie einen voreingestellten Grenzwert erreicht. Dazu gibt es vom Regler einen eigenen (gelben) Draht zum Bordakku, der die Spannung dort abgreift.
Wenn man die Spannung am Akku während des Ladens überprüft, wird man feststellen, dass sie schon lange bevor die entnommenen Amperestunden wieder in den Akku zurückgeladen wurden nicht mehr ansteigt und maximal 13,8V erreicht. In der Folge nimmt der Ladestrom durch den mit zunehmender Ladung steigenden Innenwiderstand des Akkus kontinuierlich ab und so dauert es „ewig“ bis der Akku wirklich voll ist. Mehr Strom bringt man in diesem Zustand in den Akku nur durch eine höhere Spannung hinein und weil dies so ist, würde an diesem Verhalten auch eine leistungsfähigere Lichtmaschine nichts ändern. Eine höhere Spannung, die das Problem lösen würde, ist zwar vorübergehend aber nicht auf Dauer zulässig. Man müsste also entweder die Ladezeit von Hand begrenzen oder einen sehr viel aufwendigeren Regler verwenden, der für Standardanwendungen einfach zu teuer wäre.
Genau an dieser Stelle setzt der „intelligente“ Hochleistungsregler der englischen Firma Sterling an. Er erhöht die Spannung am Ausgang der LIMA, so dass ein größerer Strom fließen kann. Sobald der Akku dann vollständig geladen ist, regelt er die Spannung wieder auf den für eine Dauerladung zulässigen Wert herab. Ein einfaches Prinzip (IUoU) dass, wenn man es gut machen will aber relativ aufwendig in der Realisierung ist. Sterling setzt dazu einen Mikroprozessor und einiges an Elektronik ein wodurch auch der nicht gerade geringe Preis zur erklären ist. Wie man den neuen Regler auf dem Boot einbaut werde ich im Folgenden an meinem Motor, einem weit verbreiteten Volvo Penta 2020 mit einer VALEO 60 A Lichtmaschine, Schritt für Schritt erklären.
Modifikation der Lichtmaschine
Modifikation ist eher etwas übertrieben. Im Grunde wird an der LIMA nichts verändert, sondern nur der Anschluss DF, der standardmäßig leider nicht von außen zugänglich ist, herausgeführt . Dies ist die mit Abstand schwierigste Aufgabe des ganzen Umbaus aber für einen einigermaßen begabten Bastler nicht wirklich ein Problem. Es werden auch keinerlei bleibende Änderungen vorgenommen, so dass für die eventuelle Wahrung von Garantieansprüchen alles ohne sichtbare Spuren wieder zurückgebaut werden könnte.
Am leichtesten tut man sich, wenn man dazu die Lichtmaschine ausbaut. Sicherheitshalber klemmt man dazu die Pluspole an beiden Batterien ab, so dass nirgends mehr Spannung anliegen kann. Die Leitungen, die hinten an die 5 Anschlüsse (B+, B-, D+, W, gelbes Kabel) der LIMA gehen, werden gekennzeichnet und ebenfalls abgebaut. Anschließend kann man die LIMA ausbauen. Dazu löst man die Spannschraube unten rechts und die drei Schrauben der Halterung oben links. Danach kann man die LIMA heraus nehmen.
Die Lichtmaschine vor dem Umbau. Nach Entfernen des Deckels und Lösen der beiden Torx-Schrauben kann man den Regler abbauen. |
Hier ist bei geöffnetem Deckel der Regler ausgebaut und der Temperaturfühler bereits unter der Gehäuseschraube oben links befestigt. |
Nachdem man die Muttern an den elektrischen Anschlüssen abgeschraubt hat, kann man den Deckel der LIMA entfernen. Jetzt kommt man auch an die elektrischen Anschlüsse des Reglers heran. Um den Regler abzubauen muss man dessen Deckel nicht öffnen. Es genügt die beiden Torx-Schrauben herauszudrehen. Anschließend hat man den Regler nach einem bisschen Ruckeln in der Hand. Damit wir es später nicht vergessen, befestigen wir bei dieser Gelegenheit schon jetzt unter der Mutter der Gehäuseschraube oben links den beim Sterlingregler mitgelieferten Temperaturfühler für die Lichtmaschine. Nach der theoretischen Vorabeit oben, ist die Modifikation des Reglers selbst ein Kinderspiel. Mit einem Ohmmeter findet man sofort heraus, dass die hintere der beiden Schleifkohlen direkt mit Plus (D+) verbunden ist. Es kann sich also nur um eine negativ geregelte LIMA handeln und die vordere der beiden Kohlen ist der gesuchte DF. Freundlicherweise ist dieser Anschluß bereits blank und wir löten an dieser Stelle ein ca. 20 cm langes Stück stabiles, temperaturfestes Kabel an. Am einfachsten verwendet man dafür ein Stück von der weißen Litze des Sterlingreglers mit der es später sowieso verbunden werden muß. Im Reglergehäuse ist auf der rechten Seite eine kleine Nut durch die, wie auf der gegenüberliegenden Seite das bereits im Original vorhandene gelbe Kabel, auch das neue herausgeführt werden kann. Damit ist die gesamte Modifikation des Reglers schon abgeschlossen und wir können alles wieder zusammenschrauben. Dazu wird der Regler wieder eingesetzt, mit den Torx-Schrauben befestigt und die beiden elektischen Anschlüsse aufgesteckt bevor man den Deckel der Lichtmaschine aufsetzt und mit den Muttern der elektrischen Anschlüsse fixiert. Das war's schon. Die Operation ist beendet und die LIMA kann wieder eingebaut werden.
Hier ist bei geöffnetem Deckel der Regler ausgebaut und der Temperaturfühler bereits unter der Gehäuseschraube oben links befestigt. |
Die LIMA nach dem Umbau mit wieder eingesetztem Regler. Es fehlt nur noch der Deckel. |
Auch der Einbau der Lichtmaschine ist eine Sache von wenigen Minuten. Bevor die Befestigungsschrauben ganz angezogen werden, muß der Keilriemen gespannt werden. Der darf nicht zu locker und nicht zu fest sein. Wenn man ihn so eine knappe Daumenbreite weit eindrücken kann, ist er gerade richtig. Fixiert wir dann zuerst die Spannschraube unten rechts und danach auch die drei anderen Befestigungsschrauben. Zum Schluß schließt man auch alle elektrischen Verbindungen wieder an. Da wir die einzelnen Kabel vor dem Ausbau gekennzeichnet haben, sollte dies keine Fragen aufwerfen.
Wie voher sollte jetzt der Motor problemlos anspringen. Wenn er das nicht tut, haben wir bestimmt die Anschlüsse an den Batterieen vergessen, die wir vorher aus Sicherheitsgründen abgeklemmt hatten. Alles sollte jetzt so laufen, wie wir das bisher gewohnt waren. Insbesondere die Ladekontrollleuchte sollte aus sein und die LIMA sollte mit dem gewohnten Strom laden. Das muß so sein, denn wir haben bisher nichts(!) an der Originalschaltung geändert und lediglich den DF-Anschluß heraus geführt. Jetzt ist auch der Zeitpunkt ihn noch einmal - diesmal nach den Regeln, die Sterling im Manual angibt - zu überprüfen. Eine Kontrollmessung ergibt, dass im Leerlauf eine sehr geringe Spannung (ca. 1 V) anliegt, die mit zunehmender Drehzahl steigt und bei 1500 U/min ca. 8 V erreicht. Wir haben alles richtig gemacht.
Einbau des Sterlingreglers
Vor dem Einbau muss der Regler entsprechend den Verhältnissen an Bord eingestellt werden. Dazu wird der Gehäusedeckel abgenommen. Die Lichtmaschine wurde als negativ geregelt identifiziert, insofern können wir die Werkseinstellung beibehalten. Ich verwende an Bord geschlossene Bleibatterien von Vetus. Die beiden DIP-Schalter für den Batterietyp stehen deshalb auf „OFF“ und die dazugehörige LED wird später rot leuchten. Zur Montage lassen wir den Deckel offen, da man sonst an die Schraubklemmen für die Temperaturfühler nicht mehr heran kommen würde.
Den Sterlingregler schraubt man in der Nähe der Lichtma- schine an eine Schottwand. |
Die Leitungen des Sterlingreglers werden zusätzlich zu den bereits vorhandenen angeschlossen. |
Der Regler selbst wird in der Nähe der LIMA an einer Schottwand befestigt und die Leitungen mit Bindern zu einem Kabelbaum zusammengefasst. Die Verbindung mit der Lichtmaschine ist einfach. Sicherheitshalber werden aber auch vor diesen Arbeiten die Plus-Anschlüsse der Batterien abgenommen.
• Auf die beiden schwarzen Leitungen wird je ein Kabelschuh mit einem Ring aufgequetscht und mit B- verbunden.
• Die gelbe Leitung für die Batteriespannung wird an den Flachsteckern getrennt. Der Stecker, der von der LIMA kommt, wird auf den bereits standardmäßig vorhandenen Stecker am Anschluss B+ gelegt. Die von der Batterie kommende Leitung wird mit der roten Leitung des Sterlingreglers verbunden. Dazu wird auf diese ein isolierter Flachstecker aufgequetscht.
• Die neue weiße Leitung DF der LIMA wird mit der ebenfalls weißen Leitung des Sterlingreglers verbunden. Ich habe dazu eine passende Rundsteckverbindung aufgequetscht.
• Die braune und die gelbe Leitung bekommen ebenfalls einen Ringkabelschuh und werden mit D+ verbunden.
• Die Leitung vom Temperaturfühler der LIMA wird passend gekürzt und Aderendhülsen aufgepresst bevor sie in den zugehörigen Klemmen des Reglers festgeschraubt werden.
• Der Fühler für die Batterietemperatur wird am Minuspol der Bordbatterie mit untergeklemmt. Zumindest bei mir musste die Leitung dafür verlängert werden. Dazu eignet sich ein beliebiges mindestens dreiadriges Kabel. Die dritte Ader wird zur Verlängerung des schwarzweißen Anschlusses verwendet. Sie wird am Minus der Bordbatterie bzw., wenn man wie ich einen Batteriecontroller hat, am Shunt angeschlossen. Die Litzen werden jeweils einzeln an den Verlängerungsstellen zusammengelötet und mit Schrumpfschlauch isoliert.
Damit ist die Installation abgeschlossen. Wir lassen den Motor an und überprüfen ob die Leuchtdiode für den an Bord verwendeten Batterietyp die richtige Farbe zeigt. Während der ersten Minute blinkt die oberste für die Anzeige der Ladung zuständige grüne Leuchtdiode. Erst danach beginnt die eigentliche Ladung, was wir mit dem Amperemeter des Batteriecontrollers überprüfen können.
Erste Erfahrungen
Selbstverständlich habe ich auch einen Vorher/Nachher-Vergleich gemacht und die jeweiligen Ladeströme gemessen. Auf den ersten Blick ließen sich eindrucksvolle Zahlen ermitteln. Auf den zweiten sind die Werte natürlich interpretationsbedürftig um nicht Äpfel mit Birnen zu vergleichen.
Um wirklich vergleichbare Werte zu erhalten, sind bis auf die unterschiedlichen Regler absolut gleiche Bedingungen erforderlich. Dies war bei mir an Bord nicht gegeben. Bei einer Kapazität des Bordakkus von nominal 286 Ah waren beim Versuch mit der Serienbeschaltung 60 Ah (20%) der Ladung entnommen. Beim Versuch mit dem Sterlingregler fehlten dagegen 95 Ah (33%). Allein dies kann schon einen deutlichen Unterschied im Stromaufnahmevermögen ausmachen. Schon deshalb würde ich den absoluten Werten nicht unbedingt eine große Bedeutung beimessen. Festhalten kann man aber auf jeden Fall, dass ein Generator mit Sterlingregler bei höherenDrehzahlen des Motors die Batterien wesentlich besser lädt. Dies ist dadurch zu erklären, dass erst dann die LIMA in der Lage ist, die dafür notwendige Leistung zu erzeugen.Vor Anker den Motor zum Laden ein bisschen im Leerlauf tuckern zu lassen bringt absolut nichts. Ob mit meiner 60 A Lichtmaschine auch noch mehr als die im Versuch gemessenen 42 A Ladestrom für die Bordbatterie zu erreichen wären, bin ich mir nicht sicher. Die höchste im Versuch gemessene Spannung betrug 14,2 V während mit dem Standardregler 13,8 V nie überschritten wurden. Bei dieser Spannung ist davon auszugehen, dass auch in den 56 Ah Starterakku noch ein erheblicher Strom fließt. Die genaue Größe kann ich nicht nennen, da ich dafür keine Messeinrichtung an Bord hatte. Von dort her kann ich nicht mit Bestimmtheit sagen ob die gemessenen Werte durch dieStromerzeugungsmöglichkeiten der LIMA oder durch die Aufnahmekapazität der Akkus begrenzt wurden. Alles in allem kann man aber festhalten, dass der Sterlingregler bei höheren Drehzahlen eine deutliche Leistungssteigerung bringt.
Mein persönliches Fazit: Selbstverständlich vollbringt auch der Sterlingregler keine Wunder. Er kann auch nur die Energie verteilen, die zur Verfügung steht. Das macht er nach bisherigem Eindruck allerdings recht effizient. Im Grunde macht er nichts anderes als aus einer Standardlichtmaschine eine mit einer IUoU-Ladefunktion, wie dies bei Ladegeräten für Landstrom schon lange üblich ist. Für diejenigen, die auf eine effiziente Ladung über die Lichtmaschine des Motors angewiesen sind, ist er deshalb eine echte Verbesserung. Alle andern dagegen, die häufig die Gelegenheit haben ihre Batterien wieder über Landstrom zu füllen, können sich diese Ausgabe meines Erachtens sparen.
Nachtrag
Wie schon mehrfach angesprochen, beobachte ich meine Batterien und deren Ladeverhalten sehr genau. Die oben beschriebenen ersten Erfahrungen haben sich auch im längeren praktischen Gebrauch im Alltag bestätigt. Aufgrund dieser Erfahrungen habe ich mich entschlossen eine weitere kleine Modifikation vorzunehmen, die ich meinen interessierten Lesern nicht vorenthalten möchte.
Nach dem Umbau auf den Sterlingregler konnte ich feststellen, dass an der Starterbatterie. eine max. Ladespannung bis 14,8V anstand. Dies ist dadurch zu erklären, dass durch den großen Ladestrom in die Bordbatterie an deren Zuleitung eine nicht unbedeutende Spannung abfällt. Dies ist normal und nicht weiter schlimm, da sie der Regler durch den externen Spannungsfühler erfasst und problemlos kompensiert. Bei der normalerweise immer gut geladenen Starterbatterie fehlt dieser Strom, was zu einer höheren Spannung führt.
Für eine offene Batterie, bei der man Wasser nachfüllen kann, wären die 14,8V völlig unproblematisch. Für meine geschlossene Batterie ohne diese Nachfüllmöglichkeit war es mir dann doch ein bisschen viel. Sterling empfiehlt in einem solchen Fall, den Spannungsfühlerdraht einfach auf die Starterbatterie zu hängen. Dies löst zwar das Problem, führt andererseits aber wieder zu längeren Ladezeiten der Bordbatterie. Deshalb konnte ich mich diesem Vorschlag nicht anschließen.
Die in Reihe geschaltete Zusatzdiode für die Starterbatterie neben dem standardmäßig vorhandenen Diodenblock. |
Um auch dieses Problem aus der Welt zu schaffen habe ich mich entschlossen, einfach eine zusätzliche Diode in den Starterbatteriestromkreis zu schalten und deren Spannungsabfall von ca. 0,6 V zu nutzen um die Ladespannung wieder in eine verträgliche Höhe zu bringen. Eine passende 20 A Diode mit der Kathode am Gehäuse und ein passender Kühlkörper ist für wenige Euro im Elektronikversand (C…auf Anfrage nenne ich gern die genauen Bestellbezeichnungen) zu bekommen und schafft zuverlässig Abhilfe. Kleiner Nebeneffekt: Da jetzt nicht mehr mit aller Gewalt Strom in die sowieso geladene Starterbatterie gepresst wird, steht noch mehr für die Bordbatterie zur Verfügung. Dort habe ich Ladeströme bis zu 53 A messen können. Alles in allem hat sich der Umbau auf den Sterlingregler bei mir an Bord sehr bewährt. Fremdstrom nehme ich nur noch bei längeren Hafenliegezeiten. Drei Tage halte ich bei bei einem durchschnittlichen täglichen Verbrauch von 40 Ah und 286 Ah nomineller Kapazität der Bordbatterie problemlos aus. Grundlage dafür ist - man kann es gar nicht oft genug betonen - die Überwachung des Stromhaushaltes durch einen Batteriecontroller. Erst wenn man genau weiß was vorgeht, kann man die Ladung seiner Batterien durch eine ausgeklügelte Technik auf die eigenen Bedürfnisse abgestimmt sinnvoll optimieren.
Anmerkung: Die von mir verwendete Diode ist bei C. nicht mehr lieferbar. Da keine besonderen Anforderungen bestehen, kann jede andere Silliziumdiode verwendet werden, solange sie mind. 20 A Strom kann und es sich nicht(!) um eine Shottky-Diode handelt. Geeignete Dioden findet man z.B. beim Ausschlachten alter Computernetzteile oder auf Elektronikflohmärkten. Wenn es unbedingte eine neue sein soll, wird man bei auf Leistungslektronik spezialisierten Anbietern wie z.B. Darisus ganz sicher fündig.a
Das Vielfachmessinstrument VC-521 von Voltcraft hat sich bei mir zur Fehlersuche in der Bordelektrik bewährt. Als Zangenam- peremeter misst es Ströme bis 400 A. |
Nachtrag 2 (Juni 2008)
Nach Funk habe ich zu diesem Thema mit Abstand die meisten Zuschriften bekommen. Viele Segelkameraden haben nach dieser Anleitung den Sterlingregler auf ihrem Boot selbst erfolgreich installiert. Es gibt aber auch eine ganze Reihe die Probleme hatten. Regelmäßige Ursache dieser Schwierigkeiten ist , dass die jeweils vorhandene elektrische Installation nicht genau der entsprach wie ich sie an Bord habe und deshalb geringfügige Modifikationen gegenüber meiner Beschreibung notwendig sind. In solchen Fällen helfe ich gerne und es ist in den allermeisten Fällen gelungen die Probleme zu lösen. Nach diesen Erfahrungen kann ich bestätigen, dass sich der Regler an wirklich jede LIMA adaptieren lässt. Es muß aber auch festgestellt werden, dass es so ganz ohne elektrotechnische Grundkenntnisse nicht geht. Insofern sollte man sich vor Beginn ernsthaft prüfen ob man sich eine solche Arbeit wirklich zutrauen kann. Wenigstens so absolute Grundlagen wie der Unterschied zwischen Strom und Spannung, bzw. deren Abhängigkeit voneinander (Ohmsches Gesetz) sollten bekannt sein. Wer daran Zweifel hat, dem möchte ich - schon zu seiner eigenen Sicherheit - dringend empfehlen doch lieber einen Fachmann zu bemühen.
Nachtrag 3 (April 2009)
Besonders durch dieses Kapitel meiner Webseite angeregt, bekomme ich nach wie vor viele Mails mit Fragen oder der Bitte um Unterstützung. Da geht es dann oft nicht nur um Ladekonzepte sondern auch um ganz andere Dinge in der Bootselektrik. Ich helfe gern bin aber darauf angewiesen möglichst präzise Angaben nicht nur zur Problemstellung sondern auch über den Ist-Zustand .zu bekommen. Das ist auch für den Fragesteller nicht immer leicht, weil er häufig keineVorstellungen davon hat, was in seiner Schaltung vorgeht. Neben Fachkenntnissen fehlt oft auch ein geeignetes Instrument um Spannungen und vor allem Ströme zu messen.Obwohl ich es auch angenehmer finde Ströme direkt an der interessierenden Stelle messen zu können, habe ich mir in derVergangenheit eigentlich immer mit dem Amperemeter des Batteriecontrollers helfen können, das oft auch Rückschlüsse auf Einzelverbraucher zuläßt. Jetzt ist mir ein Vielfachinstrument mit eingebautem Zangenamperemeter über den Weg gelaufen, welches das Leben als Bordelektriker so stark vereinfacht, dass ich diesen Tipp an meinen interessierten Leserkreis weitergeben möchte. Außer Gleich- und Wechselströmen bis 400 A misst es natürlich auch Spannungen und Widerstände und ist damit das universelle Messinstrument für alles Elektrische an Bord. Das Modell VC-521 von Voltcraft ist mit etwa 50 € für jeden Segler erschwinglich, für unsere Zwecke völlig ausreichend und im Elektronikversand (C...) zu haben.
Mit diesem Trimmpotentiometer (unten links, direkt über den Schaltern für die Batterieauswahl) lässt sich die max. Ladespannung einstellen. Drehen im Uhrzeigersinn führt zu höheren Spannungen. |
Nachtrag 4 (Mai 2011)
Bereits vor einigen Monaten machte mich ein Leser darauf aufmerksam, dass der Regler auch im abgeschalteten Zustand 15 mA über Spannungsmessleitung (Die 2. in der Änderungsliste oben. Von der Batterie kommend ist sie bei Bavaria bzw. VP gelb, am Sterlingregler natürlich rot.) aus der Batterie ziehe. Mir war das nicht aufgefallen, da bei mir durch den in der Minusleitung liegenden Hauptschalter, der wirklich alles abschaltet, dieses Problem nicht besteht. 15 mA entsprechen etwa 11 Ah/Monat. Wer damit ein Problem hat, sollte darauf achten den Hauptschalter so zu installieren, dass auch die Messleitung mit abgeschaltet wird. Ein evt. weiteres Problem konnte ich bei meiner eigenen Installation beobachten. Im Laufe der Jahre wanderte die max.Ladespannung Uo langsam aber sicher über den zulässigen Wert hinaus. Ursache war ein Trimmpotentiometer, welches sich durch die Erschütterungen des Schiffes verstellt hatte. Etwas Sicherungslack (ein Tropfen Nagellack tut es auch) behebt dieses Problem zuverlässig. Warum man das nicht gleich bei der Fabrikation macht, ist für mich nicht nachvollziehbar.
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