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Vom Wesen der Trenndioden...

Dem gemeinen Sterblichen stellt sich Notwenigkeit sowie Methodik elektrische Energie zu speichern, meist als ziemlich trivial dar. Aber Vorsicht: Der Teufel wohnt hier im Detail! Eine Bleibatterie ist kein Eimer und eine Trenndiode kein simples Rückschlagventil, auch wenn dieser Eindruck beim elektrisch nicht so Bewanderten entstehen mag.

Für den Umgang mit den üblichen Trennsystemen ist ein zumindest grundsätzliches Verständnis um ihre Funktion sehr hilfreich. Zwar sind viele Systeme inzwischen so ausgereift, das auch Laien problemlos mit ihnen hantieren können. Aber von der korrekten Behandlung der Akkus hängen Leistung und Zuverlässigkeit der Gesamtanlage eben ganz entscheidend ab. Für Planung und zufriedenstellen Betrieb einer autarken Stromversorgung gilt das um so mehr! Auch dann, wenn man die Batterieanlage nicht selbst plant und aufbaut, sollte man wenigstens so halbwegs wissen, was der Hersteller da eigentlich verbaut hat, für was es nutze ist und ferner, was man eigentlich braucht.

Damit fange ich an:

Was braucht der Selbstversorger überhaupt?

Geht man von einem Wohnmobil oder Boot mit eigenem Motor und eigener Bordelektrik aus, dann hat man zunächst sein eigenes Kraftwerk in Form einer Lichtmaschine gleich mit an Bord. Solange der Motor läuft, wird Strom erzeugt, mit dem Verbraucher betrieben und Akkus geladen werden können. Schon hierbei kann man sich aber ein Eigentor schießen, weil unter bestimmten Bedingungen die Fahrzeugelektrik mehr Energie aus dem Bordnetz entnimmt, als der Generator zu liefern vermag. Solche Umstände liegen immer dann vor, wenn der Motor ruhig im Leerlauf tuckert, gleichzeitig aber viele Verbraucher mit hoher Leistungsaufnahme eingeschaltet sind. In diesem Fall wird der Starterbatterie die Differenz zwischen insgesamt erforderlicher und der vom Generator gelieferten Leistung entnommen. Es ist klar, daß unter solchen Betriebsbedingungen keine Energie zur Aufladung weiterer Bordbatterien zur Verfügung steht, ganz gleich, welche Trenntechnik man auch immer benutzen würde.

Anzeigeinstrumente für Spannung und StromUm solche unerwarteten Betriebszustände überhaupt zu bemerken, eignen sich die früher weit verbreiteten, heute jedoch (leider) ein wenig aus der Mode gekommenen Amperemeter ganz vorzüglich. Direkt an den Pluspol der Batterie geschaltet, gewinnt man jederzeit einen aussagekräftigen Überblick über das Kommen und Gehen elektrischer Energie. So kann man durch einen Blick auf's Amperemeter schon frühzeitig erkennen, wann (und wie viel) Strom unter welchen Bedingungen der Batterie entnommen wird, um dann mit Hilfe dieser Information sehr einfach Schätzungen über die weitere Entwicklung des Ladezustandes der Batterie anstellen zu können. Auch bekommt man mit einem Amperemeter sehr schnell ein Gefühl für die Stromaufnahme der einzelnen elektrischen Verbraucher, was nicht selten zu einem erstauntem Stirnrunzeln mit anschließendem Aha-Effekt führt. Es muß also nicht unbedingt ein sehr teurer, direkt in Amperestunden (Ah) anzeigender Batteriecomputer sein. Ein Amperemeter (oben rechts im Bild), insbesondere in Verbindung mit einem Voltmeter (oben links im Bild) kostet weniger als € 50,-, trifft jedoch reproduzierbare Aussagen über Bordspannung, sowie Richtung und Höhe des fließenden Stromes. Man gewöhnt sich sehr schnell an die so gewonnenen Meßwerte und erhält so auch schnell ein Gefühl für den Gesamtzustand der Batterien. Dieses Gefühl und die damit vermittelte Erfahrung ist praktisch kaum durch teure Technik zu ersetzen. Man lernt einfach sehr schnell, wie viel Strom ein Verbraucher aufnimmt und wie lange man ihn betreiben kann, ohne das Probleme durch leere Batterien zu befürchten sind. Andererseits kann man durch Beobachtung des Batterie-Ladestroms auf den Ladezustand der Batterie zurückschließen. Je weiter der Ladestrom zurückgeht, desto mehr nähert sich die Batterie ihrer Vollladung - oder umso geringer wird die Bordspannung. Ein guter Grund, auch ein Voltmeter nachzurüsten...


Die Entkopplung der einzelnen Stromkreise

Um jederzeit genaug Strom zum Starten des Motors zu haben und die Starterbatterie nicht zyklisch zu belasten, sollte man bei Wohnmobilen und Booten Fahrzeug- und Verbraucher-Stromkreise möglichst voneinander trennen. Bei den Batterien tut man das gemeinhin schon dadurch, daß man eine Starterbatterie und eine oder mehrere Verbraucherbatterien anschafft. Wie ihr Name schon sagt, wird mit der Starterbatterie der Motor gestartet und mit der Verbraucherbatterie sonstige Verbraucher wie Kühlschrank, Hifi-Anlage, Funk, etc. Mit im Stromkreis der Starterbatterie liegt die "normale" Bordelektrik wie Fahrlicht, Scheibenwischer, Zündung, Heizungsgebläse und eben alles, was direkt zum Fahren benötigt wird. Da üblicherweise nur ein Generator vorhanden ist, muß aber für eine Kopplung zwischen Starterbatterie und Verbraucherbatterie gesorgt werden, über die dann bei laufendem Motor beide Batterien geladen werden. Diese Verbindung sollte idealerweise nur dann bestehen, wenn ein Ladestrom fließen kann und nicht, wenn der Motor gar nicht läuft oder aber der Verbrauch im primären Fahrzeugnetz so hoch ist, daß Energie aus der Verbraucherbatterie entnommen werden würde (Stop-and-Go, Motor-Leerlauf bei gleichzeitig hohem Strombedarf). Dafür gibt es nun die folgenden Möglichkeiten:


Batterie-TrennschalterHandbetätigte Trennschalter

Die naheliegenste Möglichkeit sind handbetätigte Trennschalter, wie sie auf vielen Booten zur Serienausstattung gehören. Beim Fahren wird der Schalter umgelegt, die Verbraucherbatterie dadurch direkt mit der Starterbatterie verbunden und dadurch geladen. Die Schalter sind billig und leistungsfähig. Leider ist der Mensch gemeinhin ein vergessliches Wesen und so wird es kaum ausbleiben, daß man vergisst, den Schalter entsprechend ein- oder auszuschalten. Auch kann der Strom bei einfachen Schaltern in beide Richtungen fließen, was nicht in jedem Falle erwünscht ist. Als alleinige Ausstattung daher nicht unbedingt empfehlenswert.


"D+"-gesteuertes Trenn-Relais

Handelsübliches RelaisFrüher waren Trennrelais sehr verbreitet. Solche Relais sind elektromagnetisch betätigte Schalter. Durch eine Verbindung mit der "D+"-Leitung des Generators schalten sie automatisch ein, wenn der Motor angesprungen ist. Sie sind bei Belastbarkeiten bis zu 70A sehr preiswert, robust und langlebig. Trenn-Relais haben leider auch Nachteile. Als erstes wäre die Notwendigkeit einer Ansteuerung zu nennen: Das Relais schaltet nicht von selbst, sondern muß von irgendwoher den Impuls dazu bekommen. Dazu wird in der Regel der "D+" oder "L"-Anschluss der Lichtmaschine verwendet, der immer dann +12V führt, wenn die Lichtmaschine Strom liefert. Soweit klingt alles noch sehr einfach und einleuchtend. Nervtötend wird die Sache dann, wenn regelmäßig die Sicherungen der Batterie-Verbindungsleitung durchbrennen. Die Ursache liegt dann häufig in einem zu früh schaltenden Trenn-Relais! Die Lichtmaschine gibt auf "D+" oder "L" oft schon während des Startvorgangs +12V-Pegel, so daß ein dort angeschlossenes Trenn-Relais dann ebenfalls zu früh einschaltet. Ein Teil des Anlasserstroms fließt dann über die Batterie-Verbindungsleitung, das Trenn-Relais und die dort installierten Sicherunge, die dann ggf. durchbrennen. Zudem werden Relais und Versorgungsakku dabei überlastet, was beim Relais dann dazu führen kann, daß das Relais "klebt", also nicht mehr öffnet. Dann besteht die Verbindung zwischen Starter- und Versorgungsbatterie dauerhaft.

Allerdings ergeben sich noch weitere Nachteile:

Dadurch, daß Relaiskontakte die Richtung des fließenden Stroms nicht beeinflussen können, kann es dazu kommen, daß sich unter bestimmten Bedingungen die Zweitbatterie in Richtung des primären Fahrzeugnetzes/Starterbatterie entlädt. So erzeugt die Lichtmaschine im Motor-Leerlauf deutlich weniger Strom, als die Fahrzeug-Elektrik verbraucht. Besonders in der dunklen Jahreszeit sind viele Verbraucher oft permanent eingeschaltet:Schaltschema Trenn-Relais

  1. Abblend- und Rücklichter (150W)
  2. Lüftung (200W)
  3. Heizbare Heckscheibe (300W)
  4. Scheibenwischer (50W)
  5. Sitzheizung (200W)
  6. Unterhaltungselektronik (100W)


Dazu addieren sich noch die regulären Stromverbraucher des Motors wie elekrische Kraftstoffpumpe (70W) und Zündanlage (bis zu 100W). Insgesamt werden in diesem Beispiel deutlich über 1kW elektrischer Leistung benötigt, die im Leerlauf natürlich nicht zur Verfügung stehen und daher der Starterbatterie entnommen werden müssen. Bei Verwendung eines Trenn-Relais fließt in diesem Fall eine größere Menge Energie von der Versorgungsbatterie ins primäre Fahrzeugnetz zurück. Die für die Wiederaufladung der Versorgungsbatterie benötigte Zeit verlängert sich so zusätzlich. Dieses Problem ist beim Trenn-Relais prinzipiell unvermeidbar. Darunter kann die die Lebensdauer der Zweitbatterie leiden, insbesondere dann, wenn die vom Fahrzeugnetz entnommenen Ströme sehr hoch sind. Insgesamt betrachtet liegt der Ladezustand einer so ins Bordnetz geschalteten Zweitbatterie meist auch niedriger, als es aus technischen Gründen notwendig wäre.

Nicht richtig ist jedoch der oft gelesene Hinweis, beim Zuschalten des Trennrelais würden sich die Ladezustände von Starterbatterie und Zweitbatterie schlagartig "ausgleichen" und die Batterien sich gegenseitig entladen. Obwohl dieser Gedanke durch die direkte Zusammenschaltung zwar zunächst schlüssig erscheint, ist dies in der Praxis nicht der Fall! Zwar mag es - besonders nach dem Start des Motors - zu kurzen Ausgleichsstromspitzen kommen, diese sind jedoch erstens zu kurz und zweitens von ihrer Höhe her viel zu gering, um nennenswerte Energiemengen zwischen den Batterien zu verschieben. Vielmehr gleichen sich die Ladespannungen der beiden Batterien sehr schnell an, da sie vom laufenden Generator ohnehin über die Leerlaufspannung hinaus angehoben werden. Man sollte jedoch darauf achten, daß Relais wie auch Kabel ausreichend dimensioniert werden, um die unvermeidlichen Spannungsabfälle bei den fließenden hohen Strömen gering zu halten. Durch zu geringe Kabel- oder Relais-Dimensionierung kommt es immer wieder zu Ausfällen, in schweren Fällen gar zu Bränden.

Als einfache Lösung für Anfänger und kleine Versorgungsakkuanlagen taugen Generator-geschaltete Trennrelais aber durchaus, wenn die zuvor genannten Probleme ausreichend Beachtung finden und keine hohen Anforderungen gestellt werden.


Elektronisch gesteuertes Trenn-Relais (VSR)

Elektronisches Trenn-Relais

Inzwischen nahezu ausgestorben sind elektronische Trenn-Relais (VSR). Man erspart sich bei Ihnen den Anschluss des Steuerkabels an "D+" oder "L" der Lichtmaschine, da sich diese Relais automatisch durch die bei laufendem Motor gestiegene Bordspannung einschalten. Gerade dieses Verhalten führt leider auch zu bisweilen großen Problemen, weil sie unvermittelt wieder abschalten, wenn größere Ladeströme fließen, durch die die Bordspannung herunter gedrückt wird. So ergibt sich bei VSRs oftmals ein unstetes, "schnarrendes" Schaltverhalten. Daher sollte man elektronisch gesteuerte Trenn-Relais nur bei relativ kleinen Versorgungsakkus einsetzen, die nur geringe Ladeströme aufnehmen.


 

Trenndioden

Die bekanntesten Vertreter der traditionellen Batterie-Trenntechnik sind sicher die Trenndioden. Früher oft verwendet, sind sie den gestiegenen Anforderungen moderner Bleiakkus heute nicht mehr gewachsen.

TrenndiodeGrößtes Problem bei Trenndioden ist der extreme Spanungsabfall, der sich prinzipbedingt an jeder Trenndiode einstellt. Dioden sind passive Halbleiterelemente, die wie Stromventile arbeiten. Je nach Herstellungsprozess fallen an Trenndioden zwischen 0,5 und über 1V Spannung ab, die bei der Ladung der Batterien natürlich fehlen. Die Folge sind stark unterladene Batterien, die nur wenig Strom abgeben können und auch nur eine kurze Lebensdauer besitzen.

Es hat nun nicht an Versuchen gefehlt, den an sich eleganten Trenn-Dioden diesen unangenehmen Spannungsabfall abzugewöhnen, oder ihm durch andere Maßnahmen entgegen zu wirken. Recht bekannt ist z.B. die Methode, die Lichtmaschinen-Reglerspannung durch Schaltungstricks um etwa 0,7V zu erhöhen, um mit dieser erhöhten Ausgangsspannung dann den Spannungsabfall der Trenn-Diode so zu kompensieren.

Diagramm Vorwärtsspannung/Durlassstrom Shottkydiode Die Idee ist an sich gar nicht mal schlecht. Nur ist der Spannungsabfall (in Fachkreisen "Vorwärtsspannung" genannt) einer Diode eben nicht konstant, sondern hängt stark von der Höhe des Stroms ab, von dem die Diode durchflossen wird - siehe Diagram rechts. Auch die Sperrschicht-Temperatur der Diode spielt eine gehörige Rolle bei der Höhe der Vorwärtsspannung, die sich je nach Stromfluß und Sperrschichttemperatur zwischen 0,4V und 1,7V verändern kann.

Wenn man nun zwei solche Dioden nebeneinander betreibt und dabei die eine mit einem hohem Strom belastet, die andere aber nur mit einem niedrigen Strom, dann ergeben sich an den beiden Dioden-Ausgängen zwingend unterschiedliche Ausgangsspannungen. Und genau DAS ist das unlösbare Problem bei Trenn-Dioden. Man kann nun machen was man will, man wird die Asymmetrien bei der Ladespannung einfach nicht los. Da die Versorgungsbatterie gegenüber der Starterbatterie in der Regel den höheren Ladestrom aufnimmt, fällt an der betreffenden Trenndiode natürlich auch eine höhere Spannung ab, weshalb die Ladespannung der Versorgungsbatterie nun deutlich unter der Ladespannung der Starterbatterie liegt. Das ist nun aber gerade komplett unerwünscht, denn dann sulfatiert einem entweder die Versorgungsbatterie, oder die Starterbatterie kocht sich zu Tode. Oder beides...

Fazit Trenndiode: Finger weg!


Ladestromverteiler

LadestromverteilerSeit einiger Zeit sind so genannte Ladestromverteiler recht verbreitet. Sie arbeiten prinzipiell wie zwei parellelgeschaltete Trenn-Relais, die von "D+" oder "L" der Lichtmaschine angesteuert werden. Ihr Vorteil ist, daß sie rein elektronisch arbeiten, also nur einem geringen Verschleiß unterliegen.

Als nachteilig wäre zu bemerken, daß bei laufendem Motorhier  keine (Dioden-)Trennung der beiden Akkus stattfindet. D.h., hier gelten dieselben Einschränkungen wie bei Trenn-Relais: Es können unerwünscht hohe Ströme in jeder Richtung von Akku zu Akku fließen! Gemessen am Preis ist die erbrachte Leistung dann auch eher gering. Zumal es auch nicht einleuchtet, weshalb in Ladestromverteilern zwei Transistorstrecken eingebaut werden, wo doch lt. Hersteller kein Spannungsabfall auftritt, der eine zweite Diodenstrecke zum Ausgleich erforderlich machen würde.

 


Trenn-MOSFET (sprich: "Mossfett" Winken )

MicroCharge Trenn-MOSFET

Die Neuentwicklung auf dem Markt sind Trenn-MOSFETs. Sie arbeiten ähnlich wie automatische Trenn-Relais, sind aber mit Power-MOSFET-Transistoren ausgerüstet, welche Diodenfunktion besitzen. Es kommt also nicht mehr zu Rückflüssen von der Versorgungs- zur Starterbatterie. Auch fliegende Sicherungen gehören damit der Vergangenheit an. Ihr Durchlasswiderstand ist "rein ohmsch", besitzt also keine hohe veränderliche Vorwärtsspannungskomponente wie bei Trenndioden, sondern ist mit unter 0,002 Ohm bemerkenswert gering. Je nach Type sind Dauerströme bis 150A überhaupt kein Problem. Es ist auch keine aufwändige Ansteuerung über den "D+"- oder "L"-Anschluss der Lichtmaschine nötig, sondern Trenn-MOSFETs erkennen selbsttätig, ob der Motor läuft oder nicht. Sie lassen den Strom nur in Richtung zur Versorgungsbatterie passieren und sind einfach anzuschließen.

Schaltschema MicroCharge Trenn-MOSFET

Beim Einbau wird in das primäre Netz des Fahrzeugs nicht eingegriffen. Statt dessen wird ein Kabelabzweig am Pluspol der Starterbatterie angeschlossen, von wo aus der Trenn-MOSFET gespeist wird. Vom Trenn-MOSFET läuft das Kabel dann weiter zum Versorgungsakku. Ein (dünnes) Minuskabel noch, welches den Trenn-MOSFET mit Fahrtzeug-Minusverbindet und fertig ist die Installation!

Einfach, nicht wahr?

Durch ihren geringen Innenwiderstand sorgen Trenn-MOSFETs dafür, daß an den Versorgungsbatterien jederzeit die volle Ladespannung ankommt, wodurch maximale Ladeströme fließen können, was die Aufladezeit merklich verkürzt. Ihre geringe Baugröße in Verbindung mit ihrer Dichtheit gegenüber Wasser und Schmutz macht sie zudem leicht und praktisch fast überall montierbar.

100% "Made in Germany" und günstige Preise durch ausschließlichen Direktvertrieb machen die Entscheidung leicht!


MicroCharge-'Saftschubse'MicroCharge Saftschubse

Die neueste Entwicklung im Bereich Zweitbatterie-Technik stellt das Starterbatterie-Stützsystem (die 'Saftschubse') dar. Hierbei werden die verschiedenen Verbraucher des Bordsystems nicht mehr voneinander getrennt, um dann entweder an die Starter- oder an die Versorgungsbatterie angeschlossen zu werden, sondern alle Verbraucher bleiben an der Starterbatterie angeschlossen. Der Anschluss der Zweitbatterie erfolgt über die 'Saftschubse'. Diese stellt eine leicht erhöhte Batteriespannung von 13V bei stehendem Motor zur Verfügung. Hierdurch wird der gesamte Strom bis zur Maximalbelastbarkeit des DC/DC-Wandlers (bei der Saftschubse sind das 50W) ausschließlich von der Zweitbatterie geliefert. Die Starterbatterie bleibt unangetastet, da ihre Leerlaufspannung deutlich niedriger liegt (~12,2 - 12,8V).

Schaltungsanordnung MicroCharge-Saftschubse

Der große Vorteil dieser Technik ist die unübertroffene Einfachheit bei der Montage: Es sind nur die Saftschubse mit Zweitakku an die Starterbatterie anzuschließen, weitere Montagearbeiten wie die sonst notwendige Abtrennung von Verbrauchern wie Kühlschrank, Funkgerät, Beleuchtung etc. entfallen vollständig. Alles bleibt an der Starterbatterie angeschlossen. Einfacher geht es nicht!

Dem Vorteil der Einfachheit steht der Nachteil entgegen, daß auf diese Weise Redundanz im Sinne des Wortes nicht 100%ig zu erreichen ist. Ist der Zweitakku entladen, schaltet sich die Saftschubse ab und die Starterbatterie liefert wieder den benötigten Versorgungsstrom. Im Extremfall wird die Starterbatterie also auch hierbei komplett entladen, so daß der Motor nicht mehr aus eigener Kraft gestartet werden kann. Trotzdem ist dieses System für viele Anwendungsfälle die erste Wahl, denn meist kommt es nur auf größtmögliche Schonung der Starterbatterie und eine einfache Installation an, weniger auf absolute Autonomie und Startbereitschaft. Wird die Kapazität des Stützakkus ausreichend groß ausgelegt, ergibt sich auch eine hinreichende Sicherheit vor einer leeren Batterie. Ist jedoch 100%ige Sicherheit vor entleerter Starterbatterie gefordert, scheidet dieses System aus.


Ich hoffe, ich konnte Ihnen einen ausreichenden Überblick über den Stand der Technik im Bereich Batterie-Trennschalter bieten. Sollten Fragen offen geblieben sein, steht Ihnen auch das MicroCharge-Forum zur Verfügung. Dort gestellte Fragen werden stets kurzfristig beantwortet. Sollten Sie darüber hinaus noch Fragen haben, können Sie mich gern auch per Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots geschützt! Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen können. oder auch telefonisch um Rat fragen.