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dodo unter Strom

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Hallo Zusammen,

bekanntlich soll mein Rennfahrzeug mit einer elektrischen Wasserpumpe ausgerüstet werden, um den Schwingungsdämpfer zu entlasten. Durch den damit verbundenen Entfall des Keilriemens muss zwangsläufig auch auf die Lichtmaschine verzichtet werden. Nun stand die Frage im Raum, welche Batterie für mein Vorhaben wohl am besten geeignet ist. Dazu wurde zuerst einmal ein Anforderungsprofil definiert:

• Möglichst geringes Gewicht
• Hohe Dauerstrombelastbarkeit
• Zyklenfest
• Vibrations- und auslaufsicher
• Verhältnismäßiger Preis
• 80 – 100 Ah

VersuchsaufbauWie man unschwer erkennen kann, gibt es durchaus Zielkonflikte. Das Gewicht ist das größte Problem, denn Blei ist schwer und Lithium teuer also war schon im Vorfeld grundsätzlich klar, dass es eine Bleibatterie wird. Mit einem leichten Lithiumakku wären wir preislich gesehen ca. beim Faktor 6, verglichen mit der gefundenen Lösung. Völlig indiskutabel also. Zwar besitze ich ein entsprechendes Ladegerät, aber da dieses für den Betrieb an 12 Volt ausgelegt ist, hätte ich ein entsprechendes Netzteil anschaffen müssen. Und selbst dann hätte ich mit höchsten 0,3 C laden können was rund 25 Ampere entspricht und eine Ladezeit von gut 3 Stunden nach sich gezogen hätte unter der Voraussetzung, dass dem Akku 80% entnommen werden. Dass das durchaus funktioniert hätte und wir sicher keine 3 Stunden zum laden brauchen würden, sehen wir später, denn Parallelen zur gefundenen Lösung sind durchaus vorhanden.

H4Da die Entwicklung auch vor Akkumulatoren nicht Halt macht gibt es seit geraumer Zeit sogenannte AGM Batterien. Oder auch: „Absorbant Glas Matt“. Was hat es damit auf sich? Herkömmliche Nassbatterien nutzen als Elektrolyten eine Flüssigkeit, die allseits bekannte Batteriesäure, die häßliche Löcher in die Klamotten fressen kann. Bei der AGM Batterie hingegen, ist der Elektrolyt vollständig in einem Vlies gebunden. Daher sind diese Batterien auslaufsicher, sehr rüttelfest, könne unabhängig der Lage montiert werden und vor allem neigen sie nicht so sehr zur schnellen Sulfatierung bei niedrigen Entladeströmen oder langer Lagerzeit. Darüber hinaus muss durch den geschlossenen Aufbau, der lediglich über ein Überdruckventil verfügt, auch keine Flüssigkeit nachgefüllt werden. Da dieser Artikel keine wissenschaftliche Dissertation zum Thema Bleiakkus werden soll, lassen wir es bei diesen grundsätzlichen Dingen bewenden. Wer mehr wissen möchte findet dazu reichlich Lesestoff im Netz.

PacoWarum nun eine sogenannte AGM Batterie? Wie wir bereits gelernt haben, bieten diese Akkus doch einige Vorteile. Noch nicht genannt wurde u.a. die Zyklenfestigkeit. Und genau davon, kann ich bei meinem Anwendungsfall profitieren. Bleibatterien haben nämlich alle eins gemeinsam: sie mögen weder die Tiefentladung, noch werden sie ungern in leerem Zustand gelagert. Beides führt über kurz oder lang zur Bildung von zu großen Kristallen im inneren der Batterie. Sie verliert Leistung und im Falle herkömmlicher Plattenbatterien kann dies auch nach relativer kurzer Zeit zum Totalausfall führen. Durch die Gitternetzstruktur im Inneren der AGM kommt es zwangsläufig nach wie vor zu Kristallen, jedoch können diese sich nicht von den Platten ablösen und herunterfallen was bei herkömmlichen Batterien einen Zellenschluss verursacht und der Akku somit irreversibel zerstört ist. Unter dem Strich sorgt diese Technologie dafür, dass die Akkus wesentlich unempfindlicher sind gegen zyklisches entladen und somit laut den Herstellern eine bis zu 3 mal höhere Lebensdauer aufweisen als herkömmliche Starterbatterien, die man bei meinem Einsatzfall zweckentfremden würde.

OptimaLast but not least ist der niedrigere Innenwiderstand der AGM's zu nennen.

Im Vorfeld habe ich den zu erwartenden Stromverbrauch grob überschlagen:

• Wasserpumpe: 15 Ampere
• Lüfter: 7 Ampere
• Licht: ca. 2 Ampere
• Wischer: ca. 5 Ampere
• KMS: ca. 10 Ampere
• Hinterachskühlung: 7 Ampere

VartaDas wären dann in Summe 46 Ampere! Eine ganze Menge die sich jedoch dadurch relativiert dass diese Summe nur erreicht wird, wenn alle Verbraucher gleichzeitig und mit maximaler Stromaufnahme arbeiten. Es ist davon auszugehen, dass die Wasserpumpe diesen Strom nur beim Anlaufen zieht und im Schnitt auf höchstens 7 Ampere kommt. Der Lüfter läuft auch nicht permanent. Licht und Wischer nur bei Regen. Da die Hinterachskühlung auch nicht ab Start läuft sondern über einen Thermoschalter erst ab ca. 85 Grad eingeschalten wird, gehe ich von einer maximalen Betriebszeit von 15 Minuten aus. In Summe wären das dann unter trockenen Bedingungen 7 (Wapu) + 10 (Zündung) = 17 Ampere, die theoretisch dauerhaft dauerhaft fließen. Wir gehen weiterhin davon aus, dass die Getriebeölpumpe ca. 3 – 4 Ampere zieht, wenn sie ein heißes Medium pumpt. Macht dann ins Summe 21 Ampere Dauerstrom.

Bei Nässe wurde das freilich anders aussehen jedoch ist davon auszugehen, dass bedingt durch die langsamere Fahrweise Strom bei Lüfter, Wapu und Hinterachskühlung gespart werden kann. Es sollte also auf das gleich herauslaufen. Um meine Theorie im Vorfeld einem Praxistest zu unterziehen, habe ich einen Versuch durchgeführt. Im Keller waren rasch zwei H4 Leuchtmittel gefunden, bei denen Abblend- und Fernlicht gebrückt, sowie in der Folge beide Lampen parallel geschalten wurden. Das ergibt dann eine Stromaufnahme von ziemlich genau 20 Ampere.

Als Probanden standen zur Verfügung:

• meine rund 5 Jahre alte Optima Red-Top, 50 Ah, welche als reine Starterbatterie ausgewiesen ist
• eine nagelneue Varta Silver Dynamic, 80 Ah, welche als zyklenfest ausgewiesen ist

Es handelt sich bei beiden Exemplaren um AGM Batterien. Zur Red-Top kann man sagen, dass sie sich im BMW einige Zeit im Betrieb ohne Lichtmaschine bewähren musste. Dies lag jedoch nicht daran dass keine verbaut war, sondern wir hatten ein Kontaktproblem. Das heißt, sie wurde nach jedem Lauf nachgeladen. Anhand der Nachladezeit konnte die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die Stromaufnahme der Zündung höchstens 10 Ampere betragen haben muss. Es war nämlich stets so, dass das Ladegerät den Absorptionsmodus zu Ende führen konnte.

Red-TopHierzu muss man wissen, welche Ladetechnik verwendet wird. Ladegeräte traditioneller Bauart führen eine 1-stufige Ladung durch. Das heißt, der Ladestrom nimmt zwar mit steigender Zellenspannung kontinuierlich ab, jedoch findet keinerlei präzise Anpassung des Ladestroms an die Spannung der Batterie statt und das wiederum bedeutet, dass die Batterie letztendlich anfängt zu „kochen“. Letzteres ist bei offenen Nassbatterien unbedingt zu beachten denn wenn die Verschlussstopfen nicht geöffnet werden, kann die Batterie platzen! Wenn falls nötig Wasser nachgefüllt und das Ladegerät rechtzeitig entfernt wird, ist diese Ladetechnik für die erwähnten Nassbatterien grundsätzlich tragbar. Für AGM sind diese Ladegeräte ungeeignet.

PacoNun haben wir viel über die Vorteile der AGM gelesen. Sie haben aber auch einen Nachteil, wenn man es als einen sehen möchte: sie reagieren empfindlicher auf Überladung! Das heißt, man sollte eine Ladeschlussspannung von ca.14,4 in keinem Fall überschreiten. Der beim laden entstehende Wasserstoff und Sauerstoff kann diesen Batterien nicht entweichen und wird bei korrekter Ladung wieder zu Wasser zurückgewandelt. Wird die Batterie überladen, kann zu hoher Druck über ein Überdruckventil entweichen. Dies zieht jedoch zwangsläufig einen Kapazitätsverlust nach sich, da der Elektrolyt nicht aufgefüllt werden kann.

PacoIm Grunde haben moderne Ladegeräte „nur“ 3 Stufen: Bulk, Absorption und Float. Die Geräte kontrollieren dabei kontinuierlich die Batteriespannung. Im Bulk Modus wird die Batterie bis auf 80% ihrer Kapazität und einer Spannung von 14,4 Volt geladen. Der darauf folgende Absorptionsmodus sorgt dafür, dass bei gleichbleibender Spannung, mit vermindertem Ladestrom auf 100% geladen wird. Danach wird in den Float Modus übergegangen der die Spannung der Batterie auf rund 13,6 Volt dauerhaft hält. Man spricht auch von Erhaltungsladung.

VartaIch besitze mittlerweile 2 Geräte: ein (altes) Cetek Multi XS 7000 (7 Ampere Ladestrom) und ein Paco 7 Stage mit einem maximalen Ladestrom von 12 Ampere. Letzteres wurde angeschafft um in jedem Fall sicherstellen zu können, dass die Batterie zwischen den Läufen auf mindestens 80% kommt. Das Paco hat 4 zusätzliche Stufen: Desulfatierung, soft start, Test und Recond. Im Gegensatz zum Cetek wird der Recond Modus im Falle eines gescheiterten Tests automatisch gestartet. Über die Desulfatierungsphase streiten sich die Experten also lassen wir es dabei bewenden und gehen nicht näher darauf ein. Recond ist nur für absolut tiefentladene Batterien zu empfehlen. Da ich stets penibel darauf achte dass das nicht passiert, ist dieser Modus für mich uninteressant.

CetekNach diesem kurzen Ausflug in die Ladetechnik nun zum eigentlichen Versuch. Protokolliert wurde die Spannung unter Last bei einem konstanten Entladestrom von 20 Ampere. Oder besser weitestgehend konstant denn mit sinkender Spannung steigt auch der Strom. Da die Schwankungen jedoch sehr gering waren ist dieser Umstand vernachlässigbar. Ideal wäre freilich gewesen den Strom auch zu kontrollieren aber ich hatte kein zweites Messgerät

PacoSo wurde getestet:

Die Batterien wurden vom Ladegerät getrennt und die Spannung nach einer Wartezeit von 10 Minuten notiert:

Versuch 1 Varta: 13,45 Volt

Versuch 1 Red-Top: 13,09 Volt

Versuch 2 Red-Top: 13,37 Volt

ladenDie Umgebungstemperatur betrug 15 Grad. Optimal sind zwar 20 bis 25 aber wir testen unter erschwerten Bedingungen um sicherstellen zu können, dass wir unter realen Bedingungen Reserven haben. Entladen wurde über einen Zeitraum von 52 Minuten. Zuerst waren 25 Minuten geplant. Da die Varta jedoch keine signifikanten Spannungseinbrüche aufwies wurde schlicht verlängert. Die Spannung wurde minütlich notiert. Nach Beendigung des Entladevorgangs wurde den Batterien eine Ruhezeit von 2 Stunden gegönnt um dann erneut die Spannung zu messen und Rückschlüsse auf die Entladetiefe zu ziehen.

Im jeweils ersten Durchlauf wurde auch die Temperatur kontrolliert und protokolliert:

Varta Start: 15 Grad, Ende 16,3

Red-Top Start: 11,8 Grad, Ende 14,3 Grad

Nun sieht man auch, warum ich mit der Red-Top einen zweiten Durchlauf gefahren bin. Ich hatte sie beim ersten mal in der Garage geladen und da es dort kälter war als im Keller, war ihre Temperatur in der Folge freilich auch niedriger. Da der Innenwiderstand mit sinkender Temperatur ansteigt, ist freilich auch das Spannungsniveau niedriger.

Objektiver zum Vergleich der beiden Batterien ist also Versuch 1 Varta und Versuch 2 Red-Top. Ich habe alles in eine Excel Tabelle eingetragen und mir ein Diagramm zeichnen lassen. Sehr schön zu sehen ist, dass die Varta ihre Spannung 30 Minuten lang über oder bei 12,2 Volt gehalten hat. Erst danach fällt die Kurve flach unter 12,2 Volt weiter ab. Nach 2 Stunden Wartezeit wurde eine Ruhespannung von 12,61 Volt gemessen was einer Restkapazität von ca. 75% entspricht. Ein sehr guter Wert der sich beim nachfolgenden Aufladen bestätigte: Es dauerte exakt 35 Minuten bis 80% erreicht waren und der Paco Lader in den Absorptionsmodus gefallen ist. Nach weiteren 2 Stunden war dieser abgeschlossen und die Batterie wieder randvoll. Das heißt also, dass die anhand der (Ruhe-) Spannung ermittelte Restkapazität durchaus im Rahmen der Realitäten liegt.

1 bis 3Dann folgte Versuch 1 Red-Top und zeitgleich eine Überraschung, weswegen der Versuch auch ein zweites Mal durchgeführt wurde. Kurios war, dass die Spannung in den ersten 6 Minuten angestiegen ist! Auch zwischendurch gab es ein paar Ausschläge nach oben. Ich vermute, dass bedingt durch die Erwärmung auf Raumtemperatur, der Innenwiderstand kontinuierlich abgenommen hat, was einen leichten Anstieg der Spannung zur Folge hatte. Dazu aber gleich noch mehr. Ab der zwölften Minute pendelte sich die Spannung auf rund 11,80 Volt ein und behielt diesen Wert weitestgehend bis Minute 30, als ein starkes abfallen der Spannung beobachtet werden konnte welche zu einem Knick in der Kurve führt. Nach rund 5 weiteren Minuten stieg die Spannung wieder leicht an und verharrte dann bis zum Ende der Messung auf praktisch gleichem Niveau wie beim zweiten Versuch.

Nach 2 Stunden Wartezeit wurde eine Ruhespannung von 12,28 Volt ermittelt was einer Restkapazität von ca. 60% entspricht, also schon als grenzwertig gesehen werden kann. Der darauf folgende Ladevorgang mit dem Cetek (7 Ampere) dauerte knapp über eine Stunde bis das Gerät in den Absorptionsmodus fiel um nach weiteren 2 Stunden in die Erhaltung überzugehen.

Der zweite Versuch wurde unter identischen Bedingungen wie die ersten beiden durchgeführt und es folgte wieder eine Überraschung: die Spannung stieg am Anfang wieder an! Bis Minute 18 wurden die 12 Volt problemlos gehalten. Danach folgte ein relativ steiler Abfall. Kurios ist, dass die Kurven ab Minute 40 praktisch identisch sind. Nach 2 Stunden wurde wieder gemessen: 12,32 Volt Ruhespannung. Also wieder rund 60% Restkapazität.

Was hat dieser Versuch denn nun gebracht, bzw. welche Schlussfolgerungen ziehe ich daraus?

Zum ersten bin ich durchaus erfreut und überrascht, wie gut sich meine 5 Jahre alte Red-Top geschlagen hat! Dazu sei angemerkt, dass ich sie beim ersten mal im BMW vier mal 25 Minuten gefahren bin ohne dass sie von der Lichtmaschine geladen wurde. Ich bemerkte dies jedoch erst nach rund einer Woche als ich den Wagen daheim starten musste und mich seinerzeit über das zähe Startverhalten wunderte. Dann kommt noch hinzu, dass weder die Lichtmaschine aus dem Golf noch die des BMW, für das laden von AGM Batterien konzipiert sind. Das heißt, langfristig könnte eine solche Batterie Schaden nehmen weil die Ladespannung ggf. zu niedrig ist. Gemessen habe ich sie nie aber es sei einfach an dieser Stelle erwähnt um noch einmal zu verdeutlichen, dass Batterie nicht gleich Batterie ist!

1-bis-3Die Varta hat sich erwartungsgemäß hervorragend gehalten. Wenn wir in der Praxis einen um 5 bis 8 Ampere höheren Strom haben sollten und somit irgendwo bei 60% rauskommen und sich die Bulk Ladephase dadurch verdoppelt, reicht uns die Zeit zwischen den Läufen immer noch locker aus um auf 100% zu kommen. Dies wäre bei der Red-Top wahrscheinlich nicht gewährleistet, wenn wir das Cetek hernehmen. Optima gibt auf der Website zwar deutlich höhere Ströme als 1/10 C als zulässig an, aber das möchte ich zum einen nicht zwingend ausreizen und zum anderen ist Batterie einfach 5 Jahre alt. Die Ausfallwahrscheinlichkeit nimmt unter unseren Bedingungen im Zweifel exponentiell mit steigendem Alter zu. Daher wurde auch eine neue Batterie mit mehr Kapazität angeschafft.

Darüber hinaus wird die Varta in der Praxis stets einen Umgebungstemperatur vorfinden, die signifikant über den 15 Grad liegt, die den Messungen zugrunde lag. Ich denke, dass die Temperatur im Kofferraum bis auf höchstens 45 - 50 Grad ansteigt. Dies ist für den Entladevorgang zwar weitestgehend unproblematisch, jedoch sollten die 45 beim laden nicht überschritten werden, dies hat negative Auswirkungen auf die Lebensdauer wenn die Ladespannung nicht zusätzlich reduziert wird. Generell ist es so, dass die Lebensdauer bei höheren Temperaturen und oder / Tiefentladung, abnimmt.

Bevor mich nun das versammelte Fachgremium „Batterie“ auseinander nimmt sei bitte folgender Hinweis gestattet: es handelt sich weder um eine wissenschaftliche Abhandlung zum Thema Bleibatterien, noch um ein Fachbuch welches sich mit der Materie im Detail befasst und auch nicht um eine Projektarbeit die den Einsatz einer Varta Silver Dynamik in der Großserie ermöglichen soll. Es ist und bleibt ein Blogartikel der bei einem so umfangreichen Thema freilich nur oberflächliche Aspekte beleuchten kann und soll. Es gibt im Netz reichlich und vor allem sehr interessanten Lesestoff. Möge der geneigte Interessent sich bitte über Google die Informationen ziehen, die er hier ggf. vermisst.

Grüße

-dodo-