Autarke Stromversorgung | Teil 1 – Elektrotechnik für Dachzeltnomaden

Hast du Lust in zahlreichen Workshops mal wieder selbst zu Basteln, neues zu lernen oder Dinge zu kreieren, an die du dich alleine nicht traust? Hol dir Inspirationen und Tipps für dein nächstes Projekt von anderen Dachzeltnomaden!

Koffer gepackt und Akkus geladen

Wenn du mit deinem Auto verreist oder als Dachzeltnomade sogar deinen Urlaub darin verbringst, stehst du zwangsläufig irgendwann vor der Frage der Stromversorgung. Denn natürlich möchtest du nicht auf einen gewissen Komfort verzichten. Das obligatorische Aufbaubier soll immer kalt und die Akkus von Smartphone, Kamera und Co. immer voll sein. Damit du auch nachts nicht im Dunklen stehst, brauchst du auch noch die richtige Beleuchtung.

Lampen, Ladegeräte, Kühlboxen und alles was sonst noch einen Stecker hat, haben eines gemeinsam: Sie wollen alle mit Strom versorgt werden.

Ich nehme dich mit auf die Reise durch das Stromuniversum in deinem Auto. Du erfährst in drei aufeinander aufbauenden Artikeln alles, was du brauchst, damit dir unterwegs nie der Saft ausgeht: Von den Grundlagen der Elektrotechnik für Dachzeltnomaden bis hin zum Einbau einer autarken Stromversorgung in deinem Auto. 

Kraftwerk auf vier Rädern

Grundsätzlich ist es kein allzu großes Problem deine mobilen Stromfresser mit ausreichend Energie zu versorgen – natürlich nur während der Fahrt bzw. wenn dein Motor läuft. In diesem Fall übernimmt die Lichtmaschine die Versorgung deiner Verbraucher. Zwischen deiner Lichtmaschine und den Verbrauchern befindet sich die Starterbatterie. Diese wird (in den meisten Fahrzeugen) kontinuierlich von der Lichtmaschine geladen.

Der Begriff Lichtmaschine ist übrigens historisch bedingt. Er kommt aus einer Zeit, in der elektrischer Strom im Fahrzeug ausschließlich für das Licht benötigt wurde. Aus diesem Grund stößt man in verschiedenen Fachartikeln auch immer wieder auf den Begriff des Generators. Da die Lichtmaschine eine sehr wichtige Rolle spielt, bekommt sie sogar einen eigenen Abschnitt. Dazu darfst du dich aber noch etwas durch die drei Teile des Artikels arbeiten, um dir ein gewisses Grundwissen anzueignen.

Im Stand – bzw. bei ausgeschaltetem Motor – sieht das Ganze schon anders aus: Der Generator lädt die Starterbatterie jetzt nicht mehr auf. Die ganze Energie, die deine Verbraucher benötigen, muss jetzt alleine von der Starterbatterie zur Verfügung gestellt werden – Das ist auf Dauer nicht gut!

Immer unter Strom – Die Starterbatterie

An dem Begriff “Starterbatterie” lässt sich schon erahnen, dass diese einen ganz speziellen Job in deinem Fahrzeug hat. Sie ist nämlich (fast) ausschließlich dazu da, über den Anlasser den Motor zu starten. Dazu wird kurzzeitig viel Strom benötigt, der wiederum nur von einer gesunden Batterie zu Verfügung gestellt werden kann. Das Versorgen der “kleinen” Verbraucher deines Autos (Autoradio, Uhr, Beleuchtung etc.) ist sozusagen nur ein Nebenjob für die Starterbatterie. Wenn du  vorhast, deine “Camping-Verbraucher” ebenfalls über diese eine Spannungsquelle zu betreiben, ist das meist keine gute Idee. Das Anspringen deines Motors und damit auch die Weiterfahrt am nächsten Morgen könnte sich unter Umständen dadurch etwas verzögern.

Denn in diesem Fall gehen die Lichter aus und der Motor nicht mehr an. Darüber hinaus ist es wichtig zu wissen, dass eine (Starter)Batterie niemals vollständig entladen werden darf. Dies ist absolut schädlich und führt oft zum Totalschaden der Batterie. Wie stark du eine Batterie entladen darfst, ist abhängig vom Batterietyp. Dazu erfährst du im zweiten Teil des Artikels mehr.

Wenn du deinen Motor nur kurz abstellst (tanken oder rote Ampel), brauchst du natürlich keine Spezialtechnik – das hält eine gesunde Starterbatterie aus.

Große und kleine Verbraucher

“Wie lange kann ich meine Heizdecke über die Batterie betreiben?” … “Braucht eine Kühlbox viel Strom?” … “Kann ich mein Notebook auch über die Starterbatterie laden?” – Das sind die typischen Fragen, die mir immer wieder gestellt werden. 

Um all das zu verstehen, ist es notwendig, erst einmal die Begriffe Spannung und Strom zu verstehen. Keine Angst, du bekommst jetzt hier keinen Physik-Overkill. Ich erkläre dir hier die einfachsten Grundlagen und beschränke mich dabei auf die KFZ-Elektrik. Das heißt du rechnest bzw. arbeitest mit Gleichspannung im Bereich von 12 Volt. Die Rechenbeispiele sind stark vereinfacht, reichen aber zum Verstehen vollkommen aus. 

Es ist wichtig, dass du ein Gefühl für die elektrischen Größen entwickelst. So wie du ein Feeling dafür hast, was im Alltag günstig oder teuer ist, entwickelst du mit der Zeit sicher ein Gefühl dafür, was viel Strom oder wenig Strom ist. Das erleichtert dir die Planung deiner Stromversorgung und dient auch deiner Sicherheit – denn auch wenn du keine lebensgefährlichen Stromschläge zu erwarten hast, kann Strom bei falschem Umgang großen Schaden anrichten.

Für dich heißt das konkret: Bei Arbeiten am Kfz vorher IMMER die Batterie abklemmen!

Spannung und Strom

Ein einfacher Stromkreis besteht aus einer Quelle (Erzeuger) und einem Verbraucher. Durch eine elektrisch leitende Verbindung, z.B. einem Kupferkabel, kann der Stromkreis geschlossen werden. So wird die elektrische Energie dem Verbraucher zugeführt.

Zuerst erkläre ich dir mal das Innenleben einer Batterie. Das kannst du dir wie zwei Eimer vorstellen. Dabei befindet sich der erste Eimer oberhalb des zweiten Eimers.

Achtung: In diesem Beispiel betrachten wir die physikalische Stromrichtung. Dabei fließt der Strom vom Minuspol zum Pluspol. In der Elektrotechnik, also auch in Schaltplänen,  wird stets die technische Stromrichtung abgebildet – das wirst du bei den Beispielen weiter unten sehen.

Der obere Eimer ist bis zum Rand mit Wasser gefüllt und der untere Eimer ist leer. Die Schwerkraft möchte nun, dass das Wasser vom oberen Eimer in den unteren Eimer fließt. Damit das geschehen kann, muss eine Verbindung geschaffen werden. Das Wasser fließt dann vollständig in den unteren Eimer bis der obere Eimer leer ist. Eine größere Verbindung bedeutet gleichzeitig auch, dass der oberer Eimer schneller leer ist.

Der Stromkreis

Dieses Prinzip kannst du analog auf den Stromkreis übertragen. Der höhere Eimer (Minuspol) hat elektrisch gesehen das höhere Potential (Elektronenüberschuss), er ist gefüllt mit negativ geladenen Elektronen, die das Bestreben haben sich zu den tiefer gelegenen Protonen im unteren Eimer (Pluspol) zu gesellen. Dieser untere Eimer hat ein niedrigeres Potential (Elektronenmangel).

Elektronen werden immer von Protonen angezogen. Durch Hinzugabe eines elektrischen Leiters wird der Stromkreis geschlossen und ein Ladungsausgleich findet statt – Ein Strom kann fließen. Die Größe bzw. Höhe dieses “Elektronenstroms” ist abhängig von der Größe des Leiters – Genauso wie beim Beispiel mit den Eimern: Je größer die Verbindung, desto mehr Strom kann fließen.

Das Bespiel mit den Eimern stellt technisch gesehen einen Kurzschluss dar. Denn wir haben nur einen elektrischen Leiter zwischen die Pole gebracht. Was noch fehlt ist der Verbraucher. 

Das Bild zeigt einen geschlossenen Stromkreis. Du kannst erkennen wie der Strom über die Lampe vom Minuspol zum Pluspol fließt (physikalische Stromrichtung). Wenn du den Stromkreis öffnest bzw. unterbrichst (Schalter umschalten oder abklemmen an der Batterie),  dann kann kein Strom mehr fließen.

Der Minuspol hat ein hohes Potential (hoher Eimer – Elektronenüberschuss). Der Pluspol hat ein niedrigeres Potential (unterer Eimer – Elektronenmangel). Die Differenz beider Potentiale bezeichnet man als Potentialunterschied. Je höher dieser Potentialunterschied ist, umso höher ist auch die Spannung in Volt (V).

Solange dieser Potentialunterschied besteht, fließt ein Strom. Wenn sich alle Elektronen (-) mit den Protonen (+) verbunden haben, besteht kein Potentialunterschied mehr. Die Potentiale sind dann ausgeglichen – ähnlich wie bei einer Waage, die ausgewogen ist. Praktisch bedeutet das: Die Batterie ist leer.

Einheiten für Strom und Spannung

Um diese elektrischen Größen genau zu bezeichnen und damit rechen zu können, hat man sie in Einheiten aufgeteilt. Die Einheit der Spannung wird in Volt angegeben und mit einem großen “V” gekennzeichnet. Das Formelzeichen der Spannung ist ein großes “U”. Die Einheit Volt wurde 1897 nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta benannt.

Beim Strom verhält es sich ähnlich: Hier gibt es die Einheit Ampère, die mit einem großen “A” gekennzeichnet wird. Benannt wurde diese Einheit übrigens nach dem französischen Mathematiker und Physiker André-Marie Ampère. Das Formelzeichen des elektrischen Stroms ist ein großes “I”.

Boxenstopp – Kurzer Zwischenüberblick

• Am Pluspol einer Spannungsquelle besteht Elektronenmangel.
• Am Minuspol der Spannungsquelle besteht Elektronenüberschuss.
• Ein Strom fließt nur bei geschlossenem Stromkreis.
• Ein Strom fließt nur, wenn ein Potentialunterschied besteht.
• Strom fließt immer vom höheren zum niedrigerem  Potential.
• Die Differenz beider Potentiale (Potentialdifferenz) ergibt die Spannung. Je höher der Potentialunterschied, umso höher ist auch die Spannung (U).

Jetzt wird's technisch

Achtung, ab jetzt betrachten wir die technische Stromrichtung! Zur Erinnerung: Hier fließt der Strom zur Veranschaulichung vom Pluspol zum Minuspol. Diese Darstellung ist international gültig und du kannst sie so in jedem Schaltplan finden.

Du weißt jetzt, dass sich die Spannung (U) aus der Potentialdifferenz der Quelle ergibt. Die Bewegung der Elektronen im Leiter (Potentialausgleich) ist nicht anderes als der elektrische Strom (I). Wie hoch der elektrische Strom ist, der die Leitung durchfließt, ist  in erster Linie anhängig vom Verbraucher.

Weitere Faktoren für die Höhe des Stroms sind:
1. Die elektrische Verbindung zwischen Spannungsquelle und Verbraucher – also deine Leitung von A nach B. Diese muss in der Lage sein, den vom Verbraucher angeforderten Strom zu transportieren. Was es damit genau auf sich hat und worauf du bei Leitungen alles achten muss, erkläre ich dir im zweiten Teil des Artikels.
2. Der maximale Strom, den deine Quelle abgeben kann – du kannst natürlich nicht mehr verbrauchen, als du liefern kannst.

Hungrig nach Strom – Der Verbraucher

Streng betrachtet ist die Bezeichnung “Verbraucher” nicht richtig. Es wird nämlich keine Energie verbraucht, sondern lediglich umgewandelt. Je nach Art der Umwandlung wird mehr oder weniger Strom benötigt. Daher ergibt sich auch umgangssprachlich die Unterscheidung zwischen großen und kleinen Verbrauchern.

Den Leistungsbedarf eines Verbrauchers kannst du dir wie ein Wasserrad in einem Fluss vorstellen. Je kleiner das Wasserrad, umso weniger Wasser wird benötigt um es anzutreiben. Ein kleines Wasserrad entspricht der Eigenschaft eines kleinen Verbrauchers – es wird wenig Strom benötigt um es anzutreiben.

Ein großer Verbraucher entspricht analog einem großen Wasserrad. Hier benötigst du viel Wasser um es zu drehen – Es wird also viel Strom “verbraucht”.

Elektrotechnisch gesagt: Ein Verbraucher ist ein Widerstand (R) im Stromkreis. Die Stromaufnahme ist abhängig von der Größe des Widerstandes (Wasserrad). Je höher der Widerstand ist (kleines Wasserrad), umso kleiner ist auch der Strom (I), der ihn durchfließt und auch die aufgenommene Leistung (P).

Typische Bespiele für große Verbraucher sind im allgemeinen Verstärker oder Geräte, die Wärme produzieren.

• Wärmedecken
• Wasserkocher
• Kaffeemaschinen
• Endstufen/Verstärker
• Wechselrichter
• Kühlboxen

Als kleine Verbraucher bezeichnet man hingegen

• Ladegeräte für Smartphone und Co.
• LED-Beleuchtung (keine Halogen-Scheinwerfer)

In diesem Zusammenhang muss ich an meinen alten Meister während meiner Ausbildung denken (ich kann's kaum glauben, dass ich hier zitiere). Ich erinnere mich bruchstückweise an den Satz: …“gute Elektronik darf nicht heiß werden…das ist alles Pv…” Er liebte es in Abkürzungen zu sprechen, und meinte mit “Pv” die Verlustleistung.

Und soll ich dir was verraten? – Er hat (prinzipiell) Recht – Denn Wärme ist ein ungewolltes Nebenprodukt beim Umwandeln (Verbrauchen) von Strom. Es sei denn, du willst gezielt Wärme erzeugen, z.B. bei einer Heizdecke.

Bei einer Glühlampe ist die Wärme, die beim Betrieb entsteht, ein Nebenprodukt. Diese Verlustwärme bzw. Verlustleistung wird nicht genutzt und “umsonst” verbraucht. Aus diesem Grund verwendet man heute fast ausschließlich LED´s. Die haben zwar auch Verluste, aber nicht in den Dimensionen wie herkömmliche Glühlampen. Durch die geringen Verluste haben LED´s einen viel kleinere Stromaufnahme – man spricht bei diesem Verhältnis vom Wirkungsgrad.

Der Wirkungsgrad von herkömmlichen Glühlampen liegt bei etwa 10-20%. Moderne LED´s erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 50%. Der Rest ist bei beiden jeweils die Verlustleistung – Wärme.

Weiter im Thema: Angaben zum “Stromhunger” deiner Geräte kannst du auf dem Typenschild oder in der Bedienungsanleitung finden. Die Leistungsaufnahme wird in Watt (W) oder Ampère (A) angegeben. 

Das Ohm'sche Gesetz

Jetzt kennst du die Zusammenhänge und du kannst in die Rechnerei einsteigen. Doch vorher brauchst du noch ein wichtiges “Werkzeug”: Das Ohm'sche Gesetz.

Du kennst bestimmt noch dieses merkwürdige Dreieck aus dem Physikunterricht.

Aus diesem unspektakulären Dreieck lassen sich alle Formeln herleiten, die du für die folgenden Rechenbeispiele brauchst.

Hier kannst du an einem Beispiel sehen, wie Spannung, Strom, Widerstand und Leistung miteinander im Verhältnis stehen. Das sind die wichtigsten elektrotechnischen Größen, die in einem typischen (geschlossenen) Stromkreis vorkommen.

Überall dort, wo ein Potentialausgleich stattfindet, fließt auch ein Strom, der wiederum eine Leistung “erbringt”. Um dies nochmal auf mein anfängliches Beispiel mit den Wassereimern zu beziehen, kann man sagen:

• U – Die Spannung bzw. der Potentialunterschied: Der Höhenunterschied beider Eimer.
• I – Der Strom: Das Wasser, das durch den Fluss vom höheren in den tieferen Eimer fließt.
• R – Der Widerstand: Das Wasserrad, das angetrieben werden muss. Dabei gilt: Großes Rad = Viel Wasserbedarf (großer Strom) und umgekehrt.
• P – Die Leistung: die Bewegungsenergie (Kraft), die das Rad produziert um z.B. einen Mühlstein anzutreiben.

Hier siehst du mal die Sache mit den Eimern und den Wasserrädern – elektrotechnisch dargestellt:

Auf den Punkt gebracht – Das Verhältnis zwischen Spannung, Strom, Widerstand und Leistung

Beispiel Rechnung 1

Auf einer LED Lampe findest du folgende Angaben -Versorgungsspannung 12V (U) und Leistungsaufnahme 4,5W (P)

Du möchtest nun die Stromaufnahme (I) herausfinden.  Dazu nimmst Du die Formel für die Elektrische Leistung (Gleichstromleistung)

P=U*I

stellst diese nach (I) um

I=P/U

setzt entsprechen die Werte ein

I=4,5W/12V

und erhältst dann als Ergebnis eine Stromaufnahme (I) von

0,375A bzw. 375mA

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Beispiel Rechnung 2

Auf einer Heizdecke findest du folgende Angaben -Versorgungsspannung 12V (U) und eine angegebene Leistungsaufnahme von 50W (P)

Du möchtest nun die Stromaufnahme (I) herausfinden.  Dazu nimmst Du die Formel für die Elektrische Leistung (Gleichstromleistung)

P=U*I

stellst diese nach (I) um

I=P/U

setzt entsprechen die Werte ein

I=50W/12V

und erhältst dann als Ergebnis eine Stromaufnahme (I) von

4,167A

Anhand beider Ergebnisse kannst du bereits erahnen, dass es sich im ersten Bespiel um einen kleinen Verbrauchen handeln muss. Das Ergebnis im zweiten Bespiel lässt auf einen eher großen Verbraucher schließen.

Fakt ist: Beide Verbraucher sind in der Lage, deine Batterie vollständig zu entladen. Entscheidend ist dabei nur die Dauer. Also die Zeit, die verstreicht, bis ein vollständiger Potentialausgleich in deiner Batterie stattgefunden hat.

Der Faktor Zeit

Jetzt möchtest du wissen, wie lange deine Batterie die Verbraucher aus den oben genannten Bespielen versorgen kann.

Zuerst rechne ich die Zeit aus, die nötig ist, eine Batterie zu 100% zu entladen – um jedoch möglichst praxisnah zu sein (und weil man einen Akku niemals zu 100% entladen sollte), teile ich das Ergebnis der Berechnungen einfach durch zwei. Denn: 50% ist ein realistischer Wert für die Entladung. Nur die Lithium-Ionen Akkus dürfen mehr entladen werden, doch dazu komme ich später.

Als erstes musst du herausfinden, was deine Batterie leisten kann. Diese Leistungsangabe* ist bei Batterien meistens Ah – Ampére Stunden – angegeben. Teilweise findest du auch die Angaben von Wh -Wattstunden. Egal ob Ah oder Wh einen dieser Werte brauchst du zur Berechnung der Zeit (t). Außerdem benötigst du die Strom- oder Leistungsaufnahme deines Verbrauchers. Wie du das herausfindest bzw. berechnen kannst, hast du ja im vorherigen Abschnitt gelernt.

Typische Leistungen für Starterbatterien liegen zwischen 30Ah und 120Ah. Es kommt immer darauf an, wie groß der Motor ist, der mit der Batterie gestartet werden soll. In der Regel verfügen Dieselmotoren über leistungsfähigere Batterien, da zum Starten mehr Kraft aufgewendet werden muss.

*Info: Leistung ist hier eigentlich die falsche Bezeichnung. Technisch korrekt heißt es Ladungsträgerkapazität oder Nennladung.

Diese Beispiele zeigen dir nun ganz deutlich, wie lange du deine Verbraucher an eine 75Ah Batterie betreiben kannst. So bekommst du langsam ein Gefühl für “große” und “kleine” Verbraucher. Logischerweise musst du den Energiebedarf von allen Geräten auf diese Weise berechnen und addieren. Glaub mir, da kommt einiges zusammen!

Für die ganz Genauen: Die Berechnungen sind nicht zu 100% exakt, sondern vermitteln “nur” einen Annäherungswert. Das liegt daran, dass ich bewusst einzelne Faktoren bei der Berechnung auslasse. Ich gehe beispielsweise von einer sog. idealen Spannungsquelle aus und vernachlässige u.a. auch den Verlust durch die Leitung. Aber keine Angst: Das Ganze reicht für dein Vorhaben völlig aus. Lediglich auf die Leitungen (Querschnitte) gehe ich später noch ein.

Dein Motor ist übrigens auch ein Verbraucher. Der zum Starten notwendige Strom kann je nach Motor zwischen 100A und 1000A liegen. Dieser Startstrom wird allerdings nur kurzzeitig benötigt und kostet deine Starterbatterie etwa 0,2Ah bis 0,4Ah. Nach ungefähr fünf Minuten Fahrtzeit ist dieser Kapazitätsverlust wieder ausgeglichen.

Kurzer Boxenstopp – Fazit & Ausblick

Du bist nun in der Lage den Verbrauch von deinen Geräten einzuschätzen und kannst diesen sogar berechnen. Durch den Faktor Zeit hast du ein Gefühl dafür entwickelt, wie lange deine Verbraucher an deiner Batterie betrieben werden können.

Dazu hast du viele Formeln und Einheiten kennengelernt:

• Ein Verbraucher ist ein Widerstand im Stromkreis – je größer der Widerstand, umso kleiner der Strom, und umgekehrt.
• Du kennst das Ohm'sche Gesetz und kannst Strom, Spannung und Widerstand berechnen.
• Du kennst nun die elektrische Leistung P mit der Einheit Watt (W) und kannst diese auch berechnen.
• Du weißt nun, dass die Verlustleistung so gering wie möglich sein sollte

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Hier geht's weiter mit dem zweiten Teil:

Autarke Spannungsversorgung | Teil 2 – Akkus und Batterien