Messen an Bord
Korrosion/Elektrolyse
Batteriecontroller
Ladetechnik
Speichertechnik
Hochleistungsregler
Verkabelung
Funk

Laden und Speichern von elektrischer Energie

Hier geht es um:

Messen von Strom und Spannung an Bord
Fakten zu Korrosion/Elektrolyse und einfache Kontrollmessungen
Batteriecontroller, warum und wofür sollte man so etwas an Bord haben
Ladetechnik, ein ganz besonders wichtiges Bordkapitel
Speichertechnik und Fragen, die damit zusamenhängen
Hochleistungsregler, was macht er und wann sollte man ihn nachrüsten
Verkabelung, worauf man achten soll
Funk, eine Extraseite speziell für Funk und damit zusammenhängende Fragen

Messen:

Man braucht als Bordinstrument ein tragbares Digitalvoltmeter und unbedingt auch ein Bündel Strippen mit Krokodilklemmen (Conrad), ein übliches preiswertes Gerät tut es, vorteilhaft ist ein Messbereich für Gleichstrom von 20 A, dann braucht man aber auch ein Päckchen Ersatzsicherungen, denn es passiert unweigerlich dass man schon einmal das Umstecken der Kabel beim Messen vergisst und Spannungsmessung im Strombereich gibt Kurzschluss, also bei Nichtfunktionieren des Gerätes auch an die möglicherwiese durchgebrannte Sicherung denken.

Was kann man messen:
Spannung (versteht sich von selbst)
Strom normal (versteht sich von selbst)
Strom über Shunt bzw. Spannungsabfall
Durchgangsprüfung oder auch "kaputt, nicht kaputt" z.B. für Glühlampen oder Positionslichter
Funktion der Opferanoden

Es hilft ziemlich, wenn man zwei elektrische Grundgesetzte kennt, das Leistungsgesetz und das Ohm'sche Gesetz und sie auch verstanden hat. (wer's kennt, kann gleich hierhin gehen)
Worum geht's?
Um Leistung, Strom, Spannung und Widerstand, wie im wahren Leben, hier mal elektrisch gesehen und bei uns an Bord in der Hauptsache gleich und klein, nämlich Gleichspannung und Kleinspannung (kleiner als 32 Volt). Das Leistungsgesetzt regelt ein Dreiecksverhältnis zwischen
Leistung auf der einen Seite und
Strom und Spannung auf der anderen Seite
und das ohm'sche Gesetz regelt ein Dreiecksverhältnis und das klar, zwischen
Spannung auf der einen Seite und
Strom und Widerstand auf der anderen Seite
und, wie das nun mal im richtigen Leben auch so ist, kann man das umdrehen und die Seiten wechseln. Die Partner haben auch noch richtige Namen, d.h. ihre Messgrössen Leistung in Watt, Strom in Ampere, Spannung in Volt, Widerstand in Ohm und dann gibt es noch die Kleinen Millies mit denen wir an Bord zu tun haben, also Milliwatt,Milliampere,Millivolt,Milliohm.

Die Spannung wird an zwei Punkten einer elektrischen Strecke (z.B. zwei Enden eines Kabels, Strecke zwischen zwei Kabelklemmen, zwei Akkupole) gemessen, der elektrische Strom fliesst über diese Strecke und der Widerstand ist diese Kabelstrecke.

das Leistungsgesetz: N=U*I

das ohm'sche Gesetz: U=R*I

N=Leistung (Watt...oder Milliwatt)
U=Spannung (Volt...oder.....Millivolt)

I=Strom (Ampere...oder...Milliampere)
R=Widerstand (Ohm...oder Milliohm)

(entweder rechne ich ALLES in den grossen Grössen Watt/VOLT/AMPERE/OHM oder den kleinen Millies)

Was heisst das nun in der Praxis?

Nehmen wir mal an: Ein Akku 12V ein Stück Draht 1m lang 2,5 (mm)..Quadrat ,in der Umgangssprache, also 2,5 quadratmillimeter Querschnitt. Mit dem Draht berühre ich jetzt beide Pole des Akku. Auweia, da funkt es mächtig, aber wem ist so etwas ähnliches nicht schon einmal passiert?
aber was ist passiert?
ganz einfach...Ohm'sche Gesetz..und seine Auswirkungen. Der Draht hat einen Widerstand von 0,007 Ohm (das sind 7 Milliohm, aber da ich in VOLT rechne also auch in Ohm)

I, der Strom , der da durch diese Strecke fliessen wird, ist nach obigem Gesetz 12/0,007 = 1714 A(mpere)..

(... mannomann, beim Starten unseres Diesel fliesst durch das Starterkabel von 35 Quadrat, also mehr als das Zehnfache von unserem Versuchs-Kabel mal so 200-250 A(mpere) also 1/7 des o.a. Stroms. )

und N, die Leistung an diesem Stück Draht beträgt 12*1714= 20517 Watt, das sind 20 K(ilo)Watt, da kann man ein Haus mit heizen....das kann doch nicht stimmen???
doch..es stimmt zumindest in der Grössenordnung und für eine kurze Zeit, in der der Akku diese Leistung erbringt und ich würde keinem raten, den Versuch wirklich so, wie hier beschrieben, durchzuführen.(Mal abgesehen davon, dass ich dafür sowieso keine Haftung übernehme)
aber, man kann etwas für die Bordpraxis daraus lernen..
Verkabelung muss wirklich sorgfältig und immer wieder auf gute Isolierung und für den Zweck angepasste Kabelquerschnitte überprüft werden, Brandgefahr wegen unsachgemässer elektrischer Verkabelung ist sehr gross
Absicherung von Hauptleitungen, z.B. Abgängen von dem Akku ist heute technisch einfach und kostengünstig zu realisieren, Sicherungsautomaten von 300-400 A sind erschwinglich geworden (in unserem Beispiel hätten sie ausgelöst und den Stromfluss unterbrochen)
Solarpaneele und Windgeneratoren müssen gleichfalls mit Sicherungsautomaten abgesichert werden

und das Gesetz gibt dem Bord"ingenieur" noch viel mehr an die Hand

1.da hat doch der Bordpartner diese tollen neuen Leuchten entdeckt und gleich vier gekauft , bei IKEA 12V und nur 10 Watt und so schön..ja ,wie soll ich die denn anschliessen?

Die Frage ist nicht wie, sonder Wo? wie weit weg von der Energiequelle. Nehmen wir mal an, im Vorschiff und im Salon und ich mache es mir einfach, zwei Leitungen. Von meinem Paneel 12V bis dahin (Salon) sind es 4 m und vom Salon bis zum Vorschiff 2 m und ich kaufe 0,75 Quadrat(millimeter) Draht im Baumarkt. ok. Dann rechnen wir mal

1 Lampe hat eine Leistung von 10 Watt, bei 12V müssen durch die Drahtstrecke 0,83 A (= 10/12) zu dieser Lampe fliessen und zu allen anderen auch, macht summasummarum 3,33 A ...an den Lampen wohlgemerkt.
Was soll das denn jetzt heissen??

rechnen wir mal:
Salon 4 m EINE Strecke, Strom muss hin und zur Akku zurück...ist so.. also 8m , von da aus zum
Vorschiff 2m EINE Strecke als 4 m
Draht 0,75 Quadrat hat einen Widerstand von 0,024 Ohm/m bis zum Salon gleich 8*0,024 ( 0,192 Ohm) nach Onkel Ohm
U=0,192*3,33 =0,64V werden in der Drahtstrecke bis zum Salon "verbraten", also an der Lampe kommen noch 11,36V an.
in's Vorschiff muss der Rest =1,67A und der Wegwiderstand ist 0,096 Ohm, U=0,096*1,67=0,32V, da kommen nur noch 11,04V an.
11,04*0,83 = 9,2 W...1W/Lampe wird also im Kabel verbraten, das ist 1/10 der eigentlich gewünschten Leistung. Verdoppele ich den Querschnitt, also auf 1,5 Quadrat, halbiere ich den Verlust...selbst nachrechnen.

2.Beim Starten quält der Anlasser so vor sich hin und will nicht richtig. Was ist los?
Eigentlich gehen die Kabel vom Akku über ein paar Kontaktklemmen über 6m BEIDE WEGE DIREKT zum Starter; Querschnitt 35Quadrat.
Also Rechnen und dann messen 35Quadrat hat 0,0005 Ohm/m
Starter 2 KW Startstrom = 2000/12 = 167 A
Spannungsabfall auf 6 m =6*0,0005*167 = 0,5V am Starter kommen 11,5 V an.
Kabel mit Krokodilklemme(s.o.) an Plus Starter, anderes Ende an Digitalvoltmeter Minus, Digitalvoltmeter Plus an StarterAkku Plus. Jetzt müsste man 12V messen. Ist das nicht der Fall, dann ist irgendwas oberfaul, jeder Kabelübergang muss auf Sitz, Schluss und Korrosion nachgeprüft werden. Meist misst man da aber die 12V. jetzt starten, ist der Wert unter 9,5V, dann ist an einer Kabelübergangsstelle auf der GANZEN Stecke ein zu grosser Widerstand und der Anlasser kann seine Leistung nicht entfalten.(Angenommen wird eine i.O.Starterbatterie, wenn die nicht mehr gut ist, passiert das Gleiche, die Spannung bricht zusammen. )
Das gilt für ALLE Verbraucher und man kann nur mit dieser Messweise Übergangswiderstände und Kabelkorrosion überprüfen. Wenn man nur am Endverbraucher mit einem Digitalmessgerät misst, dann können da bei Korrosionsproblemen sehr wohl 12V gemessen werden, warum? ganz einfach OHM.

Beispiel Bordwassernetz:

Druckpumpe 12V 8,33A bei 8V läuft sie nicht mehr. Kabelanschlusslänge 8 M BEIDE WEGE 1,5 Quadrat eine Verteilerklemme auf der Strecke (an der gibt es einen Übergangswiderstand durch Korrosion von ca. 0,4 Ohm, aber den kennen wir ...noch..nicht).12V messen wir am Druckschalter, aber Pumpe läuft nicht.
Wieso? Wieder OHM..ein Digitalvoltmeter misst quasi verlustfrei, d.h. der Messstrom, denn den gibt es bei jeder Messung, ist so gering, dass der SPANNUNGSABFALL so klein ist (ca. 1 Mikrovolt), das unser Digitalvoltmeter ihn garnicht messen kann. Aber jetzt soll die Pumpe anlaufen, die braucht aber 8,3 A und da ist der Spannungsabfall so gross, dass die 8V nicht mehr erreicht werden, wenn wir jetzt immer noch unser Voltmeter an der Pumpe haben, messen wir auch die 8V, die dann "eigentlich" 8V PLUS 1Mikrovolt wären, in Zahlen 8,000001V.
Wem das alles zuviel Rechnerei ist hier ein kleines Programm
Am besten macht man sich für sein Boot und die wichtigen Elektroverteiler nach dem Kabelplan eine kleine Liste der zu erwartenden Spannungsabfälle z.B. (mal allgemein für drei Fälle)
a Starter unter Last 2 V
b Ankerwinsch unter Last 1,5V
c Druckpumpe unter Last 1,5V
d Solarzelle Klemmenabgang bis Akku-Klemme Eingang (aus Kabelplan mit Länge/Querschnitt und Leistung) 0,5V

Solarpaneele, die kann man auch mit Messen kontrollieren und zwar auf zwei Arten. Aber Vorsicht bei der zweiten Art, nämlich der Strommessung muss man logisch und vorsichtig vorgehen, sonst ist die Sicherung des Digitalmeters oder sogar dasselbe kaputt.
1. Spannungsabfall und damit Übergangswiderstände messen, das ist oben beschrieben. Man geht von Übergangsstelle zu Übergangsstelle und misst den Spannnungsabfall auf den einzelnen Wegstrecken.
2.Leerlaufstrom, damit kontrolliert man das Paneel selbst auf Funktion. An der Strom-Übergabestelle von Solarpaneel zu dem Bordnetz/Batterie beide Kabel abklemmen, besser und einfacher ist es, wenn an dieser Stelle ein doppelter Sicherungsautomat, also für Plus und Minus je ein Automat geschaltet ist, dann braucht man keine Kabel abzuklemmen und sicherheitsmässig ist es die bessere Verkabelungstechnik. Automaten aus.
Auf der Kabelseite Solarpaneel wird die Spannung gemessen, die muss der Leerlaufspannung der Zellen entsprechen, Messgerät auf Strommessung (20A) Umstellen und auf derselben Kabelseite den Kurzschlussstrom messen, muss den Herstellerangaben entsprechen, wohlgemerkt..bei Sonneneinstrahlung.

Korrosion


Wenn man von Korrosion an Bord spricht, dann meint man eigentlich immer zweierlei,
entweder Korrosion durch Die Luft/Sauerstoff, was gewöhnlich als Rost bezeichnet wird
oder Korrosion durch Strom und da muss man zwischen Elektrolyse und galvanische Korrosion unterscheiden.
Was ist denn da der Unterschied? Einfach der, Elektrolyse geschieht durch Anlegen einer äusseren Spannung bzw. Stroms, z. B aus Bordnetz oder Landnetz und Galvanische Korrosion entsteht durch durch die Bildung einer elektrischen Zelle durch Kontakt/Leitung zweier verschiedener Metalle.

Das eine ist also Strom von AUSSEN(fremd ,durch Kabel), das andere Strom von INNEN(aus dem Element heraus).

Die Theorie, die dahintersteckt ist, wie oft, bei Wikipedia unter Spannungsreihe der Elemente gut beschrieben. Für uns hier ein Auszug aus dieser Liste.

Spannungsreihe der Elemente

Magnesium                       -2,34 Volt
Titan                                 -1,77
Aluminium                         -1,66
Zink                                  -0,76
Chrom                              -0,71
Eisen                                -0,44
Nickel                                -0,25
Zinn                                  -0,14
Kupfer                             +0,35 Volt

das sind nun theoretische Werte, also im Labor ermittelt.

Was bedeutet das nun in der Praxis?
Wenn man z.B. eine Eisenschraube mit einer Zink_UScheibe an Bord zusammenschraubt, dann entsteht eine kleine Batterie, die 0,32V erzeugt (-0,44 V -(-076)V) dabei fließt ein Strom und die Zinkscheibe wird aufgelöst. Das nennt man eine Galvanische Korrosion und das Element ein galvanisches Element. Wenn ich jetzt ein Kabel an die Zink U-Scheibe und an die Eisenschraube anbringe und da eine (z.B. ) regelbare Gleichspannung anlegen würde, dann würde bei einer Spannung von 0,32 V und PLUS-Pol an der Zinkscheibe diese Korrosion aufhören, bzw. bei einer höheren Spannung würde das Eisen korrodiert beziehungsweise aufgelöst.
Zinkanoden(Merkwort "Anode korrodiert") sind also ein guter Schutz für alle Metalle an Bord, die in dieser Liste OBERHALB von Zink stehen, also von Chrom bis Gold. Für Aluminium sind sie nicht geeignet, da löst sich das Aluminium auf. Für Aluminium braucht man Magnesiumanoden. Messen kann man allerdings nur die Spannungsdifferenz zwischen den Metallen, nicht die absoluten Spannungen.

Allerings muss man diese o.a. Tabelle auch richtig interpretieren können.z.B. "reines" Aluminium kann nach der Tabelle nicht durch Zinkanoden geschützt werden.

In der Praxis aber geht es doch.
Warum?
Weil es sich eben nicht um "Reines" Alkuminium handelt, sondern um eine Aluminium-Legierung und die hat einen anderen Spannungswert, nämlich (gilt für Legierungen 5083, 5086, 6061) =- 0,575 V.
Daran sieht man aber auch, dass in der Praxis diese Legierungen auch auf solche Faktoren, wie Gebrauch von Schutzanoden geprüft werden.

Hier eine Tabelle aus der Praxis (Daten von Meta (FR) und Fisherman USA)

Zum Verständnis dieser Tabelle:
Diese Werte werden in der Praxis erarbeitet und sind nur dann mit den theoretischen oft veröffentlichten Werten zu vergleichen, wenn man den Nullpunkt der Messung und das verwendete Material genau kennt. Oft werden in der Praxis diese Werte mit einer Kupfersulfatelektrode ermittelt, deren Wert gegenüber der im Labor verwendeten Wasserstoffelektrode + 0,246 V beträgt. Das ist alles ein wenig verwirrend und leider gibt es viele sogenannte S"Spezialisten, die die Materie selbst nicht genau verstehen.

In der Tabelle sieht man da z.B.Werte, die differieren ( -200 mV bzw. -250 mV für Kupfer-Nickel Legierung 70/30 oder - 500 mV bzw. - 250mV für Blei): Wenn man dann die Zusammensetzung der gemessenen Metall_Legierungen nicht kennt, ist die Interpretation und Anwendung in der Praxis (bei Blei handelt es sich vielleicht um Lötblei mit unterschiedlichem Zinn-Anteil) nicht möglich.

 

Aber aus diesen Werten kann man sich printzipiell folgendes merken:

je grösser der Spannungswert (=weniger negativ) umso sicherer ist das Material vor Korrosion geschützt (siehe Grafit mit +0,25V)

übrigens ist aus dieser Tabelle auch auszulesen, dass Legierungen.. nur dann verhältnismässig hohe, d.h nahe an 0V...quasi der Nullpunkt der Spannungsreihe... Werte erreicht, wenn sie
1. passiviert sind..d.h eine schützende Oxyd-Schicht entwickelt hat.. also "unsichtbar" angerostet sind (z.B. "Edelstahl")
2. in einer sauerstoffreichen Umgebung sich befindet, wenn im Wasser eines Tages kein Sauerstoff mehr ist, dann korodieren auch da Legierungen z. B. Edelstahl.


Hier findet man einen praxisnahen Test, ob an Bord
1. das Landnetz(also Wechselstromnetz) richtig verlegt ist
2. der Schutz über die Opferanode(n) noch funktioniert
dieser Test gilt nur für GFK-Boote und Holzboote

Batteriecontroller


Batteriecontroller sind Spannungs- und Strommengenmessgeräte, mit denen sich Batterien, Ihr Ladezustand und die Bordbilanz bei Eigenproduktion von Strom durch Solarzellen und Windgeneratoren bestens überwachen lassen und sollten auf keiner Langfahrt fehlen. Sie funktionieren ähnlich wie ein Wechselstromzähler, den wir von zu Hause aus kennen, d.h. sie messen Verbräuche, aber auch Produktion von Strom. Weitere Beschreibungen existieren zuhauf, Kaufentscheidung könnte u.a. der Stromverbrauch sein. Mir liegt nur daran, auf ihre Notwendigkeit hinzuweisen, ohne die der nächste Abschnitt zwar lesbar, aber nicht durchführbar ist.

Ladetechnik:

Akkus sollen nur zu 50% ihrer Kapazität entladen werden, z.B. einem 80Ah- Akku sollten nur 40 Ah entnommen werden
· Bei Nachladen mit Motor werden nur 80% der verbrauchten Kapazität nachgeladen, um zu vernünftigen Motorlaufzeiten zu kommen , also von den 40 Ah werden nur 30 Ah nachgeladen, dann wird aber irgendwann eine Volladung nötig, die dann meist durch langes Motoren (Rückkehr in Marina)erfolgt oder...s.u.
Die Leistung des Drehstromgenerators muss die Nennleistung sein( Also 50A LIMA muss über einen Regler auch die 50 A an die Batterie abgeben und nicht durch den Regler in der Leistung begrenzt werden)
· Vollladung entweder über Landstrom oder Solartechnik
· Solarzellen bringen pro Qm Fläche unter günstigen Bedingungen in den Tropen/Mittelmeer (Mai-September)ca. 700-800 Wh/Tag

Charakteristische Spannungswerte für den Lade-und Entladebetrieb einer Pb-Batterie

Nennspannung 2,0 V/Zelle (entspricht 12V für eine normale 6-zellige Batterie)
Erhaltungsladespannung 2,2... 2,25 V/Zelle = 13,2...13,5 V
Gasungsspannung 2,4 V/Zelle = 14,4 V
Ladeschlußspannung 2,6... 2,7 V/Zelle = 15,6...16,2 V
Entladeschlußspannung 1,8... 1,9 V/Zelle = 10,2...11,4 V

Den Ladezustand der Batterie kann man über die Dichte der Batteriesäure mit einem Säureheber messen. Eine andere Möglichkeit ist die Messung mittels Voltmeter. Gasdichte Bleibatterie können nur mit einem Voltmeter überprüft werden, da sie vollständig verschlossen sind. Alle angegebenen Werte beziehen sich auf 12V-Batterien.

Messung des Ladezustandes einer Batterie mit einem Säureheber (bei 25°C):

Volle Batterie 1,28 kg pro Liter Säuredichte
Halbvolle Batterie 1,20 kg pro Liter Säuredichte
Leere Batterie 1,10 kg pro Liter Säuredichte

Messung des Ladezustandes einer Batterie mit einem Spannungsmesser (bei 25°C):

Um durch Messen der Batteriespannung zuverlässig auf ihren Ladezustand schließen zu können, ist es notwendig, daß die Batterie während der letzten 4 bis 5 Stunden nicht belastet wurde.

Volle Batterie 12,7 Volt
Batterie 50% voll 12,3 Volt
Batterie 25% voll 12,1 Volt
Leere Batterie < 10 Volt

Speichertechnik

Akku:
Der wesentliche Preisunterschied bei Akkus kommt durch zwei Faktoren zustande

-Massenfertigung, wie bei Starterakkus
-Technik der Akkuherstellung (Konstruktion der Polplatten, Verbinder etc.)

Mehr dazu hier



Mit der Entscheidung zu einem Akkutyp fällt dann auch schon die Entscheidung zum nächsten Punkt

Hochleistungsregler

Hochleistungsregler sind Regler, die einen Drehstromgenerator so regeln, das er in der Ladephase seinen maximal abzugebenden Strom auch wirklich produziert. Dazu muss in den meisten Fällen (es sei denn, die LIMA hat schon einen solchen Regler) der werksmässig installierte Regler abgebaut werden und Umbauten an der LIMA vorgenommen werden. Diese Umbauten sind für einen halbwegs praktisch veranlagten Skipper mit Bordmitteln durchführbar und anderswo u.a.hier
beschrieben.
Sie verändern die Ladetechnik gegenüber dem Originalregler meist komplett. Das Ergebnis ist von einigen Vorbedingungen abhängig.

1.Die DrehstromLIMA produziert mit einem Hochleistungsregler nur DANN den maximalen Strom, WENN die Batterie den auch aufnehmen kann, es gehören also zwei dazu, Batterie und LIMA . Die Stromaufnahme einer Batterie hängt von ihrem Innenwiderstand ab und der wiederum von der Konstruktion der Batterie. Je kleiner der Innenwiderstand, desto grösser die Stromaufnahme. Der Innenwiderstand von Batterien sinkt je nach Konstruktionsart von offener Batterie-(also Batterien, die nachgefüllt werden) über wartungsfreie,geschlossene zu Gel und AGM Batterien.

2. Hochleistungsregler lohnen sich eigentlich nur bei Einsatz von Gel bzw. AGM-Batterien, es sei denn, man hat enorm grosse Batteriekapazität in klassischer Weise (Nassbatterienbänke ab 700-800Ah aufwärts für einen 100 A Drehstromgenerator) parallel geschaltet. Sonst wird der abgegebene Strom trotz höherer möglicher Leistung nicht aus der LIMA kommen.
3.Bei Gel und AGM-Batterien wiederum muss höllisch genau die Ladeschlussspannung bzw. Gasungsspannung begrenzt werden, sonst sind die Batterien beim ERSTEN Überladen durch Abblasen über die Sicherheitsventile irreparabel kaputt .

Die Markenwahl, meiner persönlichen Meinung und auch Erfahrung nach, spielt dabei nur eine untergeordnete Rolle, Marke A bis Z tut sich da nicht viel, bei den o.a. Gel bzw. AGM Batterien kann KEINER der Regler unbeobachtet bleiben.