Selbstentladung bei Bleibatterien – Mythos oder Realität?

Immer wenn es auf den Winter und damit auf eine längere Segelpause zugeht, kommt das Thema „Lagerung der Batterien“ an Seglerstammtischen und deren virtuellen Ableger den Internetforen wieder auf. Ich bin immer wieder erstaunt welche Kreativität Segelkameraden dann entwickeln und welch‘ erstaunliche Rezepte kursieren um die teuren Stromspeicher heil ins nächste Frühjahr zu bringen.

Batteriecontroller - ein Selbstbauprojekt

Winterzeit ist Bastelzeit. Ein Segler denkt natürlich eher daran etwas fürs Boot zu bauen als Weihnachtssterne zu falten. Wenn er sich dazu noch für Elektronik interessiert, darf es durchaus auch mal etwas in dieser Richtung sein. Unser Autor Martin Erger hat sich an einem Batteriecontroller versucht und beschreibt ausführlich, die dabei angestellten Überlegungen.

Batterien 5/5 - Laden aus alternativen Stromquellen

Batterien ist egal woher der Strom kommt mit dem sie geladen werden. Anders als bei den bisher besprochenen Ladeeinrichtungen, bei denen immer reichlich Energie vorhanden ist, ist das bei alternativen Stromerzeugern wie Photovoltaik, Wind- und Schleppgeneratoren nicht so einfach. Dort steht oft nicht nur wesentlich weniger Energie zur Verfügung sondern diese soll auch, da sie meist aufwendig erzeugt werden muss, besonders effektiv genutzt werden. Der Regler sollte also möglichst beiden Ansprüchen gerecht werden, d.h. Mittler zwischen den Geräten sein und beide jeweils im optimalen Arbeitspunkt betreiben. Das ist nicht leicht und viele Lösungen sind ein mehr oder weniger guter Kompromiss.

Die Grafik veranschaulicht, was damit gemeint ist. Sie zeigt blau die typische Arbeitskennlinie eines Solarmoduls. Dieses gibt im MPP (Maximum Power Point) die größtmögliche Leistung ab. Von dort her müsste es Ziel sein, es dort zu betreiben. Die Spannung in diesem Punkt ist mit 17,5 V allerdings entschieden zu hoch für die Batterie. Dies hat zur Folge, das die Spannung des Moduls bei Anschluss an die Batterie auf deren Wert zusammenbricht. Damit geht ein nicht unerheblicher Teil der Energie, die das Modul liefern könnte verloren. Ein guter Regler würde diese Differenzenergie wandeln und ebenfalls der Batterie zum Laden zur Verfügung stellen. Die dafür notwendige Technik ist nicht unerheblich und man muss rechnen ob dieser Aufwand lohnt. Die rot gepunktete Fläche veranschaulicht die unvermeidlichen Verluste des Reglers, die man auch nicht vernachlässigen darf. Aber immer dann, wenn die türkise Fläche größer als die gelbe ist, hat ein solcher Regler einen Vorteil.

Auf dem Markt werden eine Vielzahl von Reglern angeboten, bei denen es sich aber eigentlich nur um wenige in ihrer Funktion unterschiedliche Grundtypen handelt. Zu beachten ist auch, dass diese besonders im Kleinleistungsbereich oft nur mit einer IU-Kennlinie arbeiten. Das ist durchaus verständlich, denn mehr macht nur bei entsprechend leistungsfähigen Stromquellen Sinn.

Kein Regler

Wenn z.B. ein Solarmodul nicht in der Lage ist mehr als den Reststrom  von 1-2% der Kapazität, den auch eine bereits vollständig geladene Batterie noch aufnehmen kann, zu liefern, kann man es auch ohne Zwischenschaltung eines Reglers direkt an die Batterie anschließen. Normalerweise macht ein so kleines Modul aber keinen Sinn. Das immer wieder gehörte Argument damit die Selbstentladung der Batterie ausgleichen zu wollen, ist bei einer typischen Selbstentladungsrate von 3 - 4 % /Monat witzlos. Zweifler mögen mal einen Blick in die Datenblätter aktueller Batterien werfen.

Zweipunktregler

Wenn Solarregler sehr billig angeboten werden, handelt es sich meistens um Zweipunktregler. Man findet sie auch häufig  in Projekten von Elektronikbastlern (z.B. hier). Es handelt sich dabei um einen Schalter, der das Modul von der Batterie trennt, wenn die eingestellte Maximalspannung erreicht ist. Sinkt die Spannung dann wieder schaltet er wieder ein und das Spiel geht von neuem los. Da eine Batterie noch lange nicht geladen ist wenn die max. Spannung erreicht ist (siehe dazu Bordbatterie 1/5 - Hintergrundwissen), sind solche Regler in den oberen 20 % einer Batterieladung sehr ineffektiv. Als Sicherheitsschalter, der die Batterie vor Überladung schützt, sind sie aber durchaus brauchbar.

Serienregler

Anders als der Zweipunktregler schalten Serienregler bei erreichen der Endspannung nicht ab sondern halten die Spannung. Dadurch wird die Batterie weiter geladen. Ihr Nachteil besteht darin, dass immer eine gewisse Spannung über dem Regler abfallen muss damit die Elektronik arbeiten kann. Das setzt eine Stromquelle voraus, deren Spannung entsprechend über der der Batterie liegt. Es gibt sie in zahlreichen Ausführungen von einfachen Modellen, die die Überschüssige Energie einfach in Wärme umsetzen, bis zu aufwendigen getakteten Reglern. Letztere nutzen die zur Verfügung stehende Energie durch PWM (Pulsweitenmodulation) recht effizient, haben aber auch ihren Preis. 

Shuntregler

Shuntregler werden parallel zur Batterie geschaltet Sie werden nicht nur mit Solarmodulen sondern häufig auch zusammen mit Windgeneratoren eingesetzt. Durch die Parallelschaltung fällt über Ihnen keine Spannung ab. Bis zum Erreichen der Maximalspannung sind sie hochohmig. Dann beginnen sie Leistung zu verbrauchen, so dass die Spannung nicht weiter ansteigen kann. Diese Leistung wird über einen Shunt genannten Widerstand in Wärme umgesetzt. Von daher eignen sie sich sich vornehmlich für kleinere Anlagen. Der Hauptvorteil dieses Reglertyps besteht darin auch mit einer Stromquelle arbeiten zu können, deren Ausgangsspannung nur unwesentlich über der der Batterie liegt.

MPP-Regler

Alle bisher vorgestellten Regler nehmen wenig Rücksicht auf die angeschlossenen Stromquellen. Dadurch wird z.B das angeschlossene Solarmodul gnadenlos auf den Arbeitspunkt der Batterie herab gezogen und leistet so weniger als er eigentlich könnte. MPP-Regler (Maximum Power Point) belasten das Modul so, dass diesem die maximale Leistung entnommen wird. Auch wenn sich die Bedingungen z.B durch unterschiedlichen Lichteinfall ändern, passt sich der Regler immer automatisch den aktuellen Verhältnissen an. Die entnommene Leistung wird gewandelt und auf der anderen Seite wiederum optimal auf die Bedürfnisse der Batterie angepasst. So findet man bei solchen Reglern auch häufig welche, die eine IUoU-Kennlinie realisieren. Nachteilig ist die relativ aufwendige Technik und damit der hohe Preis.

Batteriecontroller - ein Selbstbauprojekt Teil 2

a

Ersatz des Arduino uno zur Kostenreduktion
Kern des Arduino uno ist um einen ATmega 328P der Firma Atmel. Der Chip im DIL28 Gehäuse (Reichelt 2,15€) enthält bereits alle wesentlichen Funktionen einschließlich aller analogen und digitalen Schnittstellen. Um mit ihm den Arduino für den Batteriecontroller vollständig ersetzen zu können, sind nur wenige zusätzliche Bauteile notwendig. Für meinen Versuchsaufbau lag nahe, auf einer Lochrasterplatte mit den Maßen des Arduino einen pinkompatiblen zu bauen. Diesen kann man dann gegen den Arduino austauschen.

Diese wenigen Bauteile können den Arduino auf

dem Batteriecontroller vollständig ersetzen.

Die Schaltung selbst ist extrem simpel, da zwingend nur ein Quarz zur Takterzeugung benötigt wird. Diesen habe ich auf einem Sockel montiert um leicht mit verschiedenen Frequenzen experimentieren zu können. Die LED mit Vorwiderstand an D13 könnte man auch weglassen. Ich benutze sie im Programm lediglich um das Anspringen der Interruptroutine im Sekundentakt kontrollieren zu können.

Diese auf das absolute Minimum reduzierte Schaltung kann den Arduino nur für den Betrieb als Batteriecontroller ersetzen. Um den Chip zu programmieren ist weiterhin ein Arduino notwendig. Dazu muss in den neu gelieferten Chip zunächst ein Bootlader geschossen werden. Anleitungen, wie man das mit Hilfe des Arduino macht, gibt es reichlich im Internet (z.B. hier). Den so vorbereiteten Chip kann man in den Sockel des Arduino setzen und dann ganz normal mit der Arduino Entwicklungsumgebung (IDE) programmieren. Danach kann man den Chip ohne Einschränkungen für den Batteriecontroller nutzen.

Die Schaltung ist pinkompatibel zum Arduino. Es sind nur die Anschlüsse

verdrahtet, die für den Betrieb als Batteriecontroller benötigt werden.

Gegenüber dem Original des Arduino uno hat diese Schaltung nicht nur den Vorteil die Kosten drastisch auf einen Bruchteil zu reduzieren. Auch der benötigte Strom, etwa 55 mA beim Original, wird etwa halbiert. Das kommt den Bemühungen zur Reduktion des Eigenverbrauches sehr entgegen, ist aber allein noch nicht ausreichend.

a

Reduktion des Betriebsstromes
Wie eben beschrieben hat der Ersatz des Arduino durch den den (fast) nackten Prozessor nicht nur eine Kosten- sondern auch eine deutliche Reduktion des Betriebsstromes zur Folge. Eine weitere Reduzierung lässt erreichen, wenn man die Betriebsspannung von 5 V aus der Batteriespannung nicht über einen billigen Längsregler wie den 7805 sondern mit einem getakteten Regler erzeugt. Dafür muss man allerdings deutlich tiefer in die Tasche greifen. Ich habe, weil gerade greifbar, meinen Versuch mit einem TSR 1‑2450 (Reichelt 5,42 €) gemacht. Das Ding kann 1 A und ist damit deutlich überdimensioniert. Der Strom für die Gesamtschaltung ohne Sensor betrug damit nur noch 9,7 mA. Wenn man die CPU, durch Austausch des 16 MHz Quarzes gegen einen mit 4,1943 MHz, langsamer taktet, geht der Strom weiter auf 6,4 mA zurück. Leider kommen für jeden angeschlossenen Hall-Sensor wieder 5 mA dazu. Das angestrebte Ziel von ca. 10 mA ist aber zumindest für die den Anschluss nur einer Batterie erreicht.

Eine weitere Reduktion des Betriebsstromes von 6,4 auf unter 4 mA ließe sich erreichen, wenn man die Schaltung nicht mit 5 sondern mit 3,3 V betreiben würde, was vom Prozessor aus, zumindest für die niedrigere Taktfrequenz, zulässig ist. Dann könnte man allerdings nicht mehr die Hall-Sensoren benutzen.

a

Genauigkeit und Auflösung
Von unbedarften Anwendern wird die Begriffe Genauigkeit und Auflösung häufig miteinander verwechselt. Sie gehen davon aus, dass ein Messgerät, welches 3 Stellen hinter dem Komma anzeigt auch entsprechend genau ist. Dem ist natürlich nicht so. Eine Spannungsmessung, bei der die Spannung vor der Messung durch einen aus Widerständen aufgebauten Spannungsteiler herabgesetzt wird, kann, egal wie genau die Messung erfolgt, niemals besser als die Toleranz der Widerstände sein. Ich habe in meiner Schaltung durchweg Widerstände mit einer Toleranz von 1% verwendet, da geringer tolerierte, zumindest im üblichen Elektronikhandel nur schwer zu bekommen sind.

Eine andere Sache ist die Auflösung, die direkt von den verwendeten Analog/Digital-Wandlern (ADC) abhängt. Die in der CPU bereits integrierten ADC haben eine Auflösung von 10 Bit, d.h. die Referenzspannung (hier 5V) wird 210 = 1024 Schritte aufgelöst. Da wir den Stromfluss sowohl in als auch aus der Batterie messen müssen entspricht der mittlere Wert 512 null Volt. Bei kleineren Werten wird die Batterie ent-, bei größeren geladen. Wollen wir einen 100 A-Stromsensor verwenden ist die Auflösung, d.h. der kleinste Schritt den wir unterscheiden können 100 A/512 = 0,195 A. Mir ist das entschieden zu viel.

Aus dem SMD wurde ein besser handhabbarer

"DIL"-Chip

Blockschaltbild des MCP 3426

Bei der Suche nach einem höher auflösenden und trotzdem preiswerten ADC wurde ich auf den MCP 3426 (Reichelt 1,76€) der Firma Microchip aufmerksam. Der hat zwei voneinander unabhängige Kanäle, bereits integrierte Vorverstärker, über I²C leicht anschließbar und lässt sich per SW umschaltbar mit als 12, 14 oder 16 Bit ADC betreiben. Nachteilig ist, dass es ihn nur im SMD-Gehäuse gibt, was ihn für Bastelzwecke etwas unhandlich macht. Ich half mir, indem ich ihn auf den Ausschnitt einer Musterplatine lötete und diesen mit Sockelstiften versah. So kam ich zu einem gut handhaben "DIL"-Muster.

Da der ATmega 328 bereits hardwaremäßig eine I²C-Schnittstelle hat, ist der Anschluss simpel. Die der SW, dank einer Lib (wire.h), auch. Unerwartete Schwierigkeiten ergaben sich daraus, dass das Programm nicht innerhalb der Interruptroutine, in der ich im Sekundenrhythmus die Daten erfasse, lief. Ich half mir, indem ich ein Flag setzte und das Einlesen in die Loop verlegte.

Dank der relativ hohen Ausgangsspannung des Hall-Sensors konnte ich die Vorverstärkung des MCP 3426 auf 1 setzen. Für die Auflösung wählte ich 14 Bit, was 24 mA bei einem 100 A-Sensor entspricht. Man könnte natürlich auch 16 Bit wählen und damit eine Auflösung von 6,1 mA erreichen. Einerseits ist das bei einer Genauigkeit von 1% relativ witzlos und andererseits würde sich damit ein anderes Problem verschärfen.

Der Hall-Sensor hat seinen Nullpunkt genau in der Mitte der Versorgungsspannung. Die ATmega CPU benutzt die gleiche Versorgungsspannung als Referenz für den integrierten ADC. Eine leichte Schwankung der Spannung spielt von daher keine Rolle, weil sie sich auf beide Komponenten gleichermaßen auswirkt. Mit Verwendung des externen ADC wird das anders. Der MCP 3426 benutzt eine eigene hochgenaue Referenz. Der Nullpunkt des Sensors und der des ADC werden deshalb nie übereinstimmen und mit großer Wahrscheinlichkeit auch noch driften. Ein Abgleich der Nullpunkte ließ sich relativ leicht durch eine kleine SW-Routine erreichen. Die Drift, die sich im Versuch bestätigte, ist dagegen nicht so einfach in den Griff zu bekommen. Für mich ist das Grund genug nicht weiter auf einen Hall-Sensor sondern auf die gute alte Shuntmethode zu setzen.

a

Zusammenfassung und Ausblick
An dieser Stelle habe ich die Arbeiten vorläufig abgebrochen. Mein Ziel etwas tiefer in die Programmierung des Arduino einzudringen habe ich erreicht. Von vornherein war klar, dass ich den Batteriecontroller zumindest aktuell nicht wirklich selbst brauchen würde, da mein über 10 Jahre alter Mobitronic immer noch zu meiner Zufriedenheit arbeitet.

Es würde mich freuen, wenn meine Arbeiten den einen oder anderen zu eigenen Überlegungen anregen würden. Wenn jemand die Source der entstanden SW haben möchte, bin ich gern bereit diese (as it is) weiterzugeben. Vielleicht findet sich ja auch jemand, der bereit und in der Lage ist eine Leiterplatte zu entflechten, ein Gehäuse zu konstruieren und evt. sogar eine Kleinserie zu produzieren und zu vertreiben. Für den Fall biete ich gern an, Schaltung und SW zur Serienreife weiterzuentwickeln. Ich hätte da noch einige Ideen, die ich jetzt aber noch nicht verraten möchte.

a

Hinweis:
Um dem interessierten Leser eine Orientierung zu geben, habe ich an einigen Stellen eine Bezugsquelle und Preise genannt. Diese Daten entsprechen dem von mir recherchierten Stand im Nov./Dez. 2014 und können sich selbstverständlich ändern.

 

Batterien 4/5 -Laden mit Landstrom

Ladegeräte für Landstrom, die nicht über eine IUoU-Kennlinie verfügen, gibt es kaum noch. Trotzdem sind nicht alle gleich gut geeignet. Unterschiede gibt es vor allem auf der Landanschlussseite aber auch beim Batterieanschluss.

Landanschluss

Vorsichtig ausgedrückt gibt es in Häfen oft sehr "windige" Stromversorgungsnetze. Aus der abgebildeten Anschlusssäule musste ich mich in einem Hafen auf Sardinien versorgen. Offen und ungeschützt in einem Platzregen, wie es den wohl nur im Mittelmeerraum gibt, quittierte sie hinein laufendes Wasser durch Blitze und Rauchwölkchen ohne Ansprechen einer Schutzschaltung.

Wie auch immer, man darf in Häfen nicht mit einem stabilen Netz rechnen wie man das von zu Hause gewohnt ist. Man tut daher gut daran beim Kauf eines Ladegerätes auf gegenüber der Landversorgung möglichst große Toleranz zu achten. Geräte, die nicht mindestens ± 15% Netzspannungstoleranz (195 - 265 V) akzeptieren, würde ich nicht kaufen. Es gibt auch welche, die man an 150- 300 V anschließen kann und sogar solche, die ab 90V funktionieren. Damit wäre man sogar für die 110 V Netze in den USA und der Karibik gerüstet.

Bei großen Ladegeräten (≥ 60 A) macht es auch Sinn, wenn sich die Leistung reduzieren lässt. Dann kann man sie auch in Häfen betreiben in denen das Netz nur schwach mit z. B. 4 A abgesichert ist. Ob ein Ladegerät dagegen PFC (Power Factor Correction) haben muss, wie es bei manchen neueren Geräten ausdrücklich beworben wird, darf man zumindest infrage stellen. Als Nutzer kann einem der Blindstrom eigentlich egal sein. Es kann aber sein, dass der Hafenbetreiber so etwas in Zukunft von seinem Stromlieferanten vorgeschrieben bekommt.

Batterieanschluss

Je mehr Batterien angeschlossen werden umso besser ist ein Eindruck, den man oft in Diskussionen mit Seglern bekommt. Wenn man genauer hin schaut relativiert sich das sehr. Es ist nicht nur so, dass sich die Leistung der Ladegeräte auf die Anschlüsse aufteilt, auch deren Regelung ist oft nicht so unabhängig, wie das für ein getrenntes Laden unterschiedlich entladener Batterien notwendig wäre. Sicheres Erkennungszeichen für solche "Sparanschlüsse" ist, wenn in der Bedienungsanleitung etwas von "an jeden Ausgang muss eine Batterie angeschlossen werden" oder auch nur ganz profan "alle Klemmen müssen belegt sein" steht. Das bedeutet, dass die Ausgänge nicht über einen eigenen Regler verfügen sondern lediglich über Dioden entkoppelt sind. In diesem Fall bestimmt die erste wieder geladene Batterie das Verhalten des Ladegerätes. Wenn man wie viele Segler nur über eine Bordbatteriebank und eine Starterbatterie verfügt hat die kaum entladene Starterbatterie das Sagen. Das Ladegerät schaltet zu früh auf Erhaltungsladung um mit der Folge, dass die große Bordbatterie nicht richtig geladen wird.

Viele Segler wissen das nicht und schimpfen auf ihr Ladegerät. Die Lösung ist einfach, die Starterbatterie wird abgeklemmt und ausschließlich über die Lichtmaschine geladen. Wie schon gezeigt (Bordbatterie 1/5 - Hintergrundwissen) ist das vollkommen ausreichend. Alle Ladeausgänge werden dann parallel auf die Bordbatterie geklemmt und damit diese wirklich optimal geladen. Die Ladegerätehersteller kennen diese Problematik natürlich und auch den Drang vieler Segler die Starterbatterie unbedingt ebenfalls laden zu wollen (Warum eigentlich, warum macht man das im Auto nicht auch?). In neueren Ladegeräten bieten sie deshalb manchmal extra einen speziellen Ausgang für die Starterbatterie an. Deren Anschluss ist zwar immer noch unnötig, richtet aber wenigstens keinen Schaden mehr an.

Viel wichtiger als die Zahl der Anschlüsse ist, dass man die Spannungswerte entsprechend der Batterie genau programmieren kann. Angaben wie Säure, Gel oder AGM sind nur sehr grob und man sollte genau hinschauen, welche Spannungswerte damit korrespondieren. Gute Ladegeräte verfügen darüber hinaus noch über einen Temperatursensor für die Batterie. Wichtig ist auch wie die Nachladezeit nach erreichen der Maximalspannung (Uo) ermittelt wird. Neuere Geräte ermitteln diese aus der Anstiegszeit, die die Batterie braucht um diese Spannung zu erreichen. Bei noch gut geladenen geht das recht schnell, während tiefer entladene länger brauchen. Früher wurde diese Zeit unabhängig vom Ladezustand mit einem Zeitglied festgelegt und zum Teil findet man diese Variante auch heute noch in der Billigschiene einiger Ausrüster. Mit solcher Technik kann man besonders die gegen Überladung empfindlichen AGMs schnell in teuren Schrott verwandeln.

Das Ladegerät vom Strom her genügend groß zu wählen ist selbstverständlich. Als Faustregel kann man sagen 10% der Kapazität, d.h. 20 A bei einer 200 Ah Batterie, bei AGM das doppelte. Dazu kommt dann noch der Verbrauch, den man im Hafen so etwa im Durchschnitt hat. Wenn ich das Gerät nicht in der Backskiste sondern im Wohnraum montieren würde, wäre mir Wasserdichtigkeit dagegen nicht so wichtig.

Fernbedienung

Die oft als Option lieferbaren Fernbedienungen sind meiner Erfahrung nach überflüssig. Ist das Gerät einmal richtig eingestellt, gibt es nichts mehr zu bedienen. Temperaturen an verschiedenen Stellen sind von eher akademischem Wert und Spannungen kann man ebenso gut an einem weit billigeren Voltmeter ablesen. Ich würde von daher mein Geld lieber in einen nur unwesentlich teureren richtigen Batteriecontroller investieren. Der zeigt nicht nur Spannungen sondern auch den aktuell fließenden Strom und vor allem den Ladezustand der Batterie an.

 

Weiter mit

Batterien 5/5 - Laden aus alternativen Stromquellen