Batterien 3/5 - Laden mit der Lichtmaschine

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Veröffentlicht: Sonntag, 05. Februar 2012 07:27

Geschrieben von Martin Erger

Wie in den vorangegangenen Kapiteln gezeigt, haben Starter- und Bordbatterie deutlich unterschiedliche Ansprüche an die Ladung. Zudem ist die Lichtmaschine die einzige Stromquelle mit der beide Batterien gleichzeitig geladen werden müssen. Eine gute Lösung zu finden ist eine anspruchsvolle Aufgabe für jeden Schiffselektriker. Es gibt zahlreiche Schaltungen, die alle ihre Vor- und Nachteile haben. Wäre das nicht so, gäbe es nicht so viele. Von daher ist es wichtig die jeweils beste Lösung für die auf jedem Boot etwas anderen Bedingungen zu finden. Im Folgenden werde ich einige dieser Schaltungen in ihren Grundzügen vorstellen.

Um die Arbeitsweise der Schaltungen beurteilen zu können, ist zunächst notwendig die Funktion einer Lichtmaschine (LIMA) einigermaßen zu verstehen. Im Grunde ist es ganz einfach. Das Bild zeigt die Schaltung einer Standard-LIMA, wie sie in jedem KFZ zu finden ist. Die Leistung wird als Drehstrom in den Statorwicklungen erzeugt und über die Dioden gleichgerichtet. Für die Glättung sorgt die an den Leistungsanschlüssen B+ und B- angeschlossene Batterie. Die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt über das Magnetfeld des Rotors.

Wenn man das Zündschloss betätigt fließt von der Batterie ein Strom über den Zündschalter und die Ladekontrollleuchte zum Regler. Durch die vorgeschaltete Kontrolllampe erhält der nicht die volle Batteriespannung. Damit ist für ihn die Spannung zu gering und er leitet den vollen Strom über die Rotorwicklung, der dort wiederum ein starkes Magnetfeld erzeugt. Wir dann der Motor gestartet, dreht auch die LIMA und erzeugt Strom. Über den Hilfsgleichrichter wird auch an D+ eine Spannung erzeugt. Erreicht diese den Sollwert verringert der Regler den Strom durch den Rotor und damit dessen Magnetfeld. Da die Lichtmaschine  jetzt selbst Strom erzeugt ist zwischen D+ und B+ keine Spannungsdifferenz mehr, was zum Erlöschen der Ladekontrollleuchte führt. Alle Standard-LIMAs regeln wie In KFZ üblich mit einer IU-Kennlinie d. h. die Spannung erreicht max. etwa 13,6 V.

Parallelschaltung von Starter- und Bordbatterie mit einem Relais

Diese Schaltung dürfte die älteste und auch bekannteste sein. Auch heute wird sie besonders in Bastlerkreisen, wegen ihrer leicht zu durchschauenden Wirkungsweise gern verwendet. Sie bewirkt, dass bei laufender Lichtmaschine beide Batterien durch ein Relais parallel geschaltet werden. Bei abgeschaltetem Motor fällt das Relais ab und trennt die Batterien wieder. Hauptnachteil ist, dass anfangs ein hoher Ausgleichsstrom von der Starter- in die leere Servicebatterie fließt. Dies belastet nicht nur die Starterbatterie sondern kann auch zu einem Verschweißen der Kontakte führen. Dies ist ein häufiger Fehler in solchen Schaltungen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Bordbatterie ebenfalls nur mit IU-Kenlinie geladen wird, was in Kombination mit kurzen Motorlaufzeiten zu ungenügender Ladung führt.

 Eine Möglichkeit den laufenden Motor als Schaltkriterium zu erkennen ist, wie im Bild gezeigt, das Relais über D+ zu schalten, da nur dann, wie schon oben beschrieben, dort Spannung anliegt. Eine andere Variante dieser Schaltung ist ein spannungsabhängiges Relais (VDR = Voltage Depending Relay) zu verwenden. Ein solches Relais wird an die Starterbatterie angeschlossen und schaltet, wenn diese eine Spannung von mehr als 13 V hat, was nur bei laufendem Motor der Fall ist. Solche Relais werden im Yacht- aber auch im Campingzubehör angeboten.

Trennung von Starter- und Bordbatterie über Dioden

Mit Trenndioden werden die Nachteile der Relaisschaltung sicher vermieden. Es können keine Ausgleichsströme mehr fließen und es gibt auch keine Mechanik die verschweißen kann. Ihr Nachteil ist ein Spannungsabfall von etwa 0,7 V über der Diode der dazu führt, dass die Batterien nicht richtig geladen werden. Es gibt Spezialdioden mit besonders geringem Spannungsabfall, die dieses Problem verringern aber nicht beseitigen. Vollständig vermeiden kann man es indem man die Referenzspannung für den Regler nicht mehr innerhalb der Lichtmaschine abgreift sondern außen direkt an der Batterie (rote Leitung). Dadurch werden Spannungsabfälle an der Diode aber auch der Leitung durch die LIMA kompensiert. Einem geübten KFZ-Elektriker fällt es normalerweise nicht schwer die LIMA entsprechend zu modifizieren. Die Lichtmaschinen vieler Bootsmotoren (Volvo Penta, Yanmar, etc.) haben eine solche Leitung bereits ab Werk, weshalb Trenndioden auf vielen Booten heute Standard sind. Freilich bleibt die LIMA weiterhin eine mit IU-Kennlinie.

Abtrennung der Starterbatterie über eine Einzeldiode

Um den Spannungsabfall der Diode vor der Bordbatterie zu vermeiden, haben schlaue Leute nebenstehende Variante mit nur einer Diode erfunden. Die Servicebatterie ist dabei direkt ohne Zwischenschaltung weiterer Bauteile an die Lichtmaschine angeschlossen und wird deshalb -soweit das mit IU-Kennlinie geht- 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.

Trenndioden mit Hochleistungsregler

Wer darauf angewiesen ist seine Batterien auch mit der Lichtmaschine optimal zu laden sollte über einen Hochleistungsregler nachdenken. Dieser macht aus einer ganz normalen IU-LIMA eine mit IUoU-Kennlinie. Das verkürzt die Maschinenlaufzeiten beträchtlich. Um damit die LIMA nicht zu überlasten sollte man darauf achten einen Regler zu verwenden, der nicht nur die Batterie- sondern auch die LIMA-Temperatur überwacht. In die normalerweise immer gut geladene Starterbatterie fließen meistens nur kleine Ströme. Dadurch entsteht auf deren Zuleitung nur ein geringer Spannungsabfall, was wiederum die Spannung an der Starterbatterie oft zu hoch werden lässt. Durch eine weitere in Reihe geschaltete Diode (rot) bekommt man durch deren Spannungsabfall dieses Problem aber leicht in den Griff.

Nachteilig an dieser Schaltung ist, dass man einen kleinen Eingriff in die Lichtmaschine vornehmen muss. Ich habe meine Ladeschaltung bereits vor Jahren in dieser Weise modifiziert und möchte sie nicht mehr missen. Den Umbau habe ich ausführlich dokumentiert. Aufgrund vieler Leserzuschriften gehe ich davon aus, dass inzwischen einige hundert Segler ihre LIMA-Ladung ebenfalls erfolgreich in dieser Weise umgebaut haben.

Lichtmaschine-Batterie Ladegerät

Für Leute, die sich den kleinen Eingriff in die Lichtmaschine nicht zutrauen aber ihre Batterien trotzdem optimal laden wollen, werden am Markt spezielle Lader (a2b = Alternator to Battery) angeboten. Im Grunde handelt es sich um normale Ladegeräte, die statt eines 230V AC-Einganges einen für die 13 V DC der Lichtmaschine haben. Sie werden anstelle der Trenndioden eingesetzt und haben jeweils einen optimierten IU-Ausgang für die Starter- und einen IUoU-Ausgang für die Bordbatterie. Wegen der ebenfalls erheblichen Belastung der LIMA sollte man auch hier darauf achten ein Gerät zu verwenden, welches sowohl die Temperatur der Servicebatterie als auch die der LIMA mit speziellen Fühlern überwacht.

Nachteilig ist neben dem hohen Preis vor allem der schlechtere Wirkungsgrad dieser Geräte. Wie auch in Ladegeräten für Landstrom muss die Leistung mit einem Schaltnetzteil aufbereitet und auf ein neues Niveau transformiert werden. Das geht nicht ohne Verluste. Die großen Kühlkörper sprechen eine deutliche Sprache, sie verheizen elektrische Leistung, die zum Laden nicht mehr zur Verfügung steht.

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Batterien 4/5 -Laden mit Landstrom