Autarke Stromversorgung –
Teil 3: Der Ladevorgang

Zuerst erkläre ich dir das gängigste Ladeverfahren für Akkumulatoren im Kfz-Bereich.

Wie im ersten Teil bereits beschrieben, lädt die Lichtmaschine deine Starterbatterie im Fahrbetrieb (bei laufendem Motor) wieder auf. Doch wann ist die Starterbatterie vollgeladen – und was passiert dann?

Dein Motor läuft ständig in einem anderen Drehzahlbereich. Mal im Standgas, mal mit Vollgas und dazwischen auch. Diese unterschiedlichen Drehzahlen haben zur Folge, dass sich die Lichtmaschine ebenfalls mit immer unterschiedlichen Drehzahlen dreht.

Demnach würde man erwarten, dass mit den Drehzahlschwankungen auch die erzeugte Ausgangsspannung schwankt. Du kennst diesen Effekt wahrscheinlich von deinem Fahrraddynamo. Dort ist es so, dass die Helligkeit von deiner Fahrbeleuchtung stark von der gefahrenen Geschwindigkeit abhängt. Dieser Effekt ist schon beim Radfahren sehr gefährlich (neuere Fahrräder haben einen Akku, der diese Schwankungen kompensiert); beim Autofahren wäre das Ganze jedoch fatal. Zwar gibt es hier auch eine Batterie, die diese Schwankungen auffängt, jedoch nur so lange, wie diese auch geladen ist.

Die Lösung dieses Problems ist ein Laderegler. Dieser bildet meist eine feste Einheit mit der Lichtmaschine und hat die Aufgabe, die Ladespannung bei jeder Drehzahl konstant zu halten. Diese Ladespannung liegt in der Regel bei 13,8 V – 14,8 V. Dieses Ladeverfahren bezeichnet man als Konstantspannungsladeverfahren. Bei diesem Verfahren ist der Ladestrom am Anfang (entladene Batterie) hoch und senkt sich aufgrund der kleiner werdenden Spannungsdifferenz zwischen Lichtmaschine und Batterie auf (annähernd) 0 A ab. Die Batterie ist dann vollgeladen – du erinnerst dich bestimmt jetzt an den Potenzialausgleich. Durch einen funktionierenden Laderegler kann auch ein Überladen des Akkumulators verhindert werden.

Wenn die Batterie geladen ist, dann fließt kein Strom mehr – na ja, kaum noch, denn selbst wenn kein Verbraucher angeschlossen ist, entlädt sich die Batterie mit der Zeit von alleine. Das geschieht zwar sehr langsam, sorgt aber dafür, dass ein minimaler Strom fließt. 

So weit die Theorie – im Fahrbetrieb schwankt der Ladestrom, da während des Ladevorgangs verschiedene Verbraucher die Batterie belasten bzw. entladen. Es ist also ein ständiges auf und ab.

Natürlich kann deine Starterbatterie (wie auch die zweite Batterie) auch im Stand geladen werden. Wie im Abschnitt “Landstrom” (Teil 2) beschrieben, kommt hier ein Netzladegerät zum Einsatz. Hier gibt es auch viele verschiedene Varianten – angefangen beim guten alten Batterieladegerät bis hin zum vollelektronischen Ladegerät mit besonders akkuschonendem, speziellen Ladverfahren und Akku-Diagnose.

Entscheidend ist hier, wie so oft dein Geldbeutel.

Wenn du dir eine zweite Batterie in dein Fahrzeug einbaust, dann muss diese auch geladen werden. Die einfachste Variante ist, die zweite Batterie, genau wie die Starterbatterie während der Fahrt zu laden. Diesen Nebenjob steckt deine Lichtmaschine locker weg. Alles, was du dafür brauchst, ist eine zweite Batterie (z. B. eine AGM-Batterie), passende Anschlussleitungen, Kleinkram und ein Trennrelais.

Das Trennrelais sorgt dafür, dass deine zweite Batterie nur dann mit der Lichtmaschine und der Starterbatterie verbunden ist, wenn der Motor läuft. Wenn die Verbindung immer bestehen würde, dann würdest du auf Dauer auch deine Starterbatterie entladen. Das willst du ja auf jeden Fall vermeiden.

Trennrelais gibt es in vielen verschiedenen Varianten und in jeder Preisklasse. Angefangen beim “dummen” Trennrelais für 5 Euro bis hin zum “intelligenten” Trennrelais für 300 Euro. Beide erfüllen ihren Job, jedoch ist es ähnlich wie beim Autokauf: Extras und Komfort kosten immer Geld. Du musst dir also vorher im Klaren sein, was du von deinem Batteriesystem erwartest. So kannst du vermeiden, dass du am Ende doppelt zahlst.

Aber keine Angst, ich erkläre dir hier, worauf du achten musst. Außerdem erkläre ich dir ausführlich die Unterschiede zwischen den verschiedenen Trennrelais.

Das ist das günstigste Trennrelais – es sorgt dafür, dass immer dann eine leitende Verbindung zwischen Lichtmaschine und Verbraucherbatterie besteht, wenn der Motor läuft. Der Einbauaufwand ist hier etwas höher, denn es muss (zusätzlich zur Batterieleitung) eine Steuerleitung (z. B. von der Zündung) verlegt werden. Diese Steuerleitung schließt den Kontakt im Relais und stellt eine leitende Verbindung her. Nicht mehr und nicht weniger.

Es gibt auch automatische Trennrelais, die ohne Steuerleitung auskommen. Hier registriert das Relais anhand der höheren Spannung, dass die Lichtmaschine läuft. Zur Erinnerung: Die Ladespannung der Lichtmaschine liegt zwischen 13,8 V und 14,8 V.

Diese Varianten eignet sich am besten für “ältere” Fahrzeuge. In neueren Fahrzeugen geschieht das Aufladen der Starterbatterie nach etwas anderen Regeln, die ich dir etwas weiter unten erkläre.

Vereinfacht gesagt sorgt ein Ladebooster bei neueren Fahrzeugen dafür, dass deine zweite Batterie möglichst schnell und vor allem vollständig wieder aufgeladen wird. Denn bei modernen Fahrzeugen kommt es vor, dass die Ladespannung so herunter geregelt wird, dass ein Laden der zweiten Batterie nicht mehr stattfindet. Vor allem AGM-Akkus, die eine etwas höhere Ladespannung benötigen, sind am stärksten von diesem negativen Effekt betroffen.

Dieser Effekt tritt vornehmlich dann auf, wenn deine zweite Batterie schon zu 80-90 % geladen ist oder bei kurzen Ladephasn (z. B. Kurzstrecken zwischen den Stellplätzen). Gute Ladebooster arbeiten mit eine sogenannten IUoU-Kennlinie. Im nächsten Abschnitt stelle ich dir ein Trennrelais vor, dass eine Art Ladebooster direkt integriert hat.

Der Ladebooster ist auch in der Lage, Verluste auszugleichen, die aufgrund der Leitungslänge entstehen. Dies ist z. B. bei großen Vans und Wohnmobilen interessant. Du musst dann keine armdicken Leitungen verlegen, damit genug Spannung am Laderegler ankommt. Ich rate dir jedoch, die Leitungslänge so kurz wie möglich zu halten, damit die Verluste so klein wie möglich gehalten werden. Verlust bedeutet, dass sich deine Leitung erwärmt – wen du dich an den ersten Teil erinnerst, dann weißt du ja sicherlich noch, dass Wärme ein unerwünschter Nebeneffekt ist.

Sogenannte intelligente Trennrelais mit eingebauter Ladeelektronik gibt es in Hülle und Fülle – deswegen kann ich hier natürlich nicht alle erklären.

Sozusagen stellvertretend für alle “intelligenten” Trennrelais und Laderegler erkläre ich dir am D250SA von CTEK die besondere Funktionsweise. Es ist nämlich nicht nur ein elektronisches Trennrelais, sondern übernimmt gleichzeitig auch noch viele andere nützliche Aufgaben. Diese Art von Ladereglern eignen sich hervorragend für den gleichzeitigen Einsatz von Solarzellen. Außerdem sorgt es dank intelligenter Laderegelung dafür, dass deine zweite Batterie immer möglichst effizient geladen wird. Im Folgenden nenne ich dir ein paar Gründe, die für einen solchen Laderegler sprechen.

Einer der Gründe, warum ich einen intelligenten Laderegler einsetze, ist, dass mein Fahrzeug nicht mehr mit einer konventionellen Lichtmaschine ausgerüstet ist. Dies ist ein enorm komplexes Thema, mit dem ich mich vor dem Einbau meines Zweitbatterie-Systems sehr lange beschäftigt habe. Ich fasse die Ergebnisse meiner Recherche mal für dich zusammen:

Bei neueren Fahrzeugen oder Neufahrzeugen übernimmt das Laden der Starterbatterie ein sogenannter Smart-Generator und ersetzt somit die konventionelle Lichtmaschine. In Kombination mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) des Fahrzeugs wird der Ladevorgang abhängig vom Verbrauch überwacht und geregelt.

Es kann vorkommen, dass das BMS die Ladespannung des Smart-Generators runter regelt. Dies passiert immer dann, wenn das BMS eine volle Starterbatterie und gleichzeitig einen geringen Strombedarf im Auto registriert. Andere (herstellerspezifische) Faktoren spielen in diesen Prozess auch noch mit ein. Du kannst dir das so vorstellen, als ob ständig jemand hinter dir herläuft, der deinen Energieverbrauch überwacht und dafür sorgt, dass du immer schön das Licht ausmachst, wenn du einen Raum verlässt.

Ein typisches Beispiel für das Herunterregeln des Smart-Generators durch das BMS ist eine lange Autobahnfahrt. Hier wird auf den ersten Kilometern die Starterbatterie ausgiebig geladen, bis sie voll ist – dann greift das System ein.

Ein ungewünschter Nebeneffekt dieses Systems ist, dass die zweite Batterie während der Fahrt unter Umständen nicht zu 100 % vollgeladen geladen wird. Oftmals ist das bei den letzten 10-20 % der Ladung der Fall, denn dann fließt ein zu geringer Ladestrom. Dieser wird dann nicht mehr als “großer Verbraucher” vom BMS erkannt – der Smart-Generator wird runter geregelt.

Der hier genannte Laderegler von CTEK ist in der Lage, diesen Effekt zu umgehen – er übernimmt die Funktion des oben beschriebenen Lade-Boosters.

Der Einbau ist denkbar simpel: Dazu muss lediglich beim Anschluss eine Steuerleitung (zusätzlich zum Plus-Kabel) verlegt werden – so wie beim “dummen Trennrelais”. Diese Steuerleitung wird dann dort angeschlossen, wo immer, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist, 12 V anliegen – der “Zündungs-Plus” bzw. Klemme 15.

Du hast folgende Möglichkeiten für den Anschluss.

Es gibt im Handel sogenannte D+ Generatoren (oder auch D+ Simulatoren). Diese erzeugen einen künstlichen Zündungs-Plus. Hierzu sei gesagt, dass diese nicht in Fahrzeugen mit Smart-Generator und Start-Stopp Funktion funktionieren! In der Artikelbeschreibung bezieht man sich meistens auf die Euro 6 Abgasnorm. Das ganze Prinzip hat aber nur bedingt etwas mit der Euro-Abgasnorm 6 zu tun – auch viele Euro 5 Fahrzeuge haben die Smart-Generator-Technik schon an Bord.

Bei Start-Stopp wird der Motor bei Stillstand (an der Ampel) unter bestimmten Bedingungen abgeschaltet; die Zündung bleibt aber aktiviert. Wenn das der Fall ist, wird die zweite Batterie über die Starterbatterie weitergeladen. Aber keine Angst, das BMS des Fahrzeugs überwacht vor einer Abschaltung des Motors die Starterbatterie und die Stromaufnahme. Deswegen kann es sein, dass die Start-Stopp-Funktion gar nicht erst aktiviert wird oder erst später als gewohnt zu Verfügung steht. Ähnlich wie beim Losfahren, denn es dauert ja immer eine Weile, bis die Start-Stopp Automatik den Motor abschaltet. Das Ganze ist u.a. abhängig von der Motortemperatur und dem Ladezustand der Batterie. Deshalb geht die Start-Stopp-Funktion auch nicht immer an, wenn du an der Ampel stehenbleibst. Manchmal läuft der Motor auch weiter, z. B. wenn die Klimaanlage, die Lüftung oder ein anderer großer Verbraucher läuft.

Wenn der Motor abgeschaltet wird, dann liegt an Klemme 15 (Zündungs-Plus) keine Spannung mehr an. Die Ladung wird beendet, das Trennrelais trennt die Verbindung. Nach erneutem Start des Motors, wird auch die Ladung weiter fortgesetzt, das Trennrelais schaltet wieder durch.

Stellt sich noch die Frage nach dem WARUM? Ganz einfach: Durch das Abschalten bzw. Runterregeln des Smart-Generators wird der Motor mechanisch weniger belastet. Dies hat einen geringeren Kraftstoffverbrauch zur Folge. So weit die Theorie … in der Praxis ist dieser Minderverbrauch jedoch sehr gering. Ob das sinnvoll ist, vermag ich nicht zu beurteilen. Es sind eben technische Gegebenheiten, mit denen wir klar kommen müssen. Ich denke, dass wir uns in Zukunft noch weitaus höheren Herausforderungen stellen müssen. Aber keine Angst: Es gibt für alles eine (technische) Lösung.

Grund Nr. 2 – Ein Gerät für alles

Wie du im vorherigen Abschnitt gelesen hast, übernimmt der hier genannte Laderegler eine Vielzahl von Aufgaben, die sonst nur von Einzelgeräten übernommen werden könnten. Das hätte einen erheblich höheren Verdrahtungs- und Kostenaufwand zur Folge. Außerdem benötigen Einzelkomponenten auch viel mehr Platz beim Einbau.

Mit einem intelligenten Laderegler bist du in der Lage, deine zweite Batterie auch über Solarzellen aufzuladen. Im D250SA ist ein sog. MPPT Solar-Laderegler integriert. Darüber hinaus wird kein separates Trennrelais zu Entkopplung mit der Starterbatterie benötigt. Der Ladestrom beträgt bis zu 20 A.

Des Weiteren gibt es ein spezielles Ladeverfahren für AGM-Batterien – hier wird ja bekanntlich eine etwas höhere Ladespannung benötigt. Außerdem kann (wenn angeschlossen) mit der Solarzelle die Starterbatterie geladen werden – sobald die zweite Batterie vollständig geladen ist, schaltet der Regler auf die Starterbatterie um und lädt diese auf.

Einmal anklemmen und läuft – du musst keine weiteren Einstellungen vornehmen!