Starterbatterie
Die Starterbatterie liefert den elektrischen Strom für den Anlasser eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs oder Stromerzeugungsaggregats. Eine Batterie, die als Energiequelle für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs dient, wird dagegen als Traktionsbatterie bezeichnet.
Anforderungen
Das Anlassen eines Verbrennungsmotors durch den elektrischen Anlassermotor erfordert kurzzeitig hohe Ströme von bis zu mehreren 100 Ampere. Die Starterbatterie muss in der Lage sein, diesen auch im Winter bei niedrigen Temperaturen zu liefern. Zudem darf die elektrische Spannung während des Startvorgangs nicht zu stark abfallen. Daher weisen Starterbatterien einen geringen elektrischen Innenwiderstand auf.
Aufbau
Starterbatterien sind Reihenschaltungen von Bleiakkumulatoren, die jeweils eine Nennspannung von 2 Volt aufweisen. Um eine Nennspannung von 12 Volt zu erreichen, bedarf es daher der Hintereinanderschaltung von 6 solcher Zellen zu einer Batterie.
Starterbatterien lassen sich - je nach Art des Elektrolyten - in Flüssig-, Vlies- und Gelbatterien unterteilen.
Auch in der Ausführung der in ihnen enthaltenen Bleiplatten (Elektroden) gibt es Unterschiede. Üblich sind hier: Blei-Antimon, Blei-Kalzium/Silber oder sogar Reinblei.
Kraftfahrzeugtechnik
Der englische Fachbegriff für Starterbatterien in Kraftfahrzeugen ist SLI battery für Start, Light, Ignition / Start, Licht, Zündung. Der Akku wird bei laufendem Verbrennungsmotor von einem Generator, der so genannten Lichtmaschine, geladen.
Daneben versorgt der Starterakku bei nicht laufender Lichtmaschine die elektrischen Verbraucher im Fahrzeug mit Strom - eine Aufgabe, die bei einer wachsenden Zahl von Komfortfunktionen im Auto immer bedeutender wird.
Nennspannung
Die tatsächliche Spannung des Bordnetzes von Kraftfahrzeugen liegt während der Fahrt über der Nennspannung der Batterie, da diese während der Fahrt geladen werden soll. Die Ladeschlussspannung ist temperaturabhängig und beträgt bei 12-Volt-Akkus etwa 14,4 Volt. Dennoch wird gewöhnlich die Nennspannung der Batterie als Spannung des Bordnetzes angegeben. Bei Pkw sind üblicherweise 12 Volt, bei Lkw 24 Volt, bei älteren Pkw waren und bei einigen Motorrädern sind auch noch 6 Volt verbreitet. Um dem wachsenden Leistungsbedarf gerecht zu werden, ist ein Bordnetz mit 42 Volt Generatorspannung in der Entwicklung.
Kapazität
Das Maß für die Kapazität ist die Angabe Ah: Amperestunden. Je höher die Zahl, desto grösser die Kapazität. Eine voll geladene Starterbatterie mit 36 Ah kann theoretisch für 36 Stunden einen Strom von 1 Ampere liefern. Verdoppelt sich der Strom, halbiert sich die Entladezeit.
Allgemein gilt: t = Q / I
mit:
- t: Zeit in Stunden
- Q: Ladung in Ah
- I: Strom in Ampere
Praktisch ist die nutzbare Ladung von einigen Einflußgrößen abhängig:
- Höhe des Entladestroms
- Temperatur
- Alter der Starterbatterie
- Ladespannung
Beispiele für die Kapazität von Starterbatterien
- Kleinwagen: 36 Ah (12 V) = 432 Wh
- PKW (Kompaktklasse): 50 Ah (12 V)
- PKW (Oberklasse): 100 Ah (12 V)
- LKW: 100 Ah und mehr (12 V, 24 V)
Die benötigte Kapazität richtet sich sowohl nach dem Hubraum, als auch der Art des Motors. Dieselmotoren benötigen generell einen höheren Strom für ihren Anlasser als vergleichbar große Benzin- oder Gasmotoren.
Wartung, Pflege und Prüfung
Auch wenn es inzwischen viele wartungsfreie Batterietypen gibt, muss der Flüssigkeitsstand in den Zellen regelmäßig kontrolliert werden. Die Zellen sind mit einem Gemisch aus Schwefelsäure (ca. 37%) und Wasser gefüllt. Durch elektrolytische Zersetzung kann das Wasser in Form seiner Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff als Gas entweichen. Dieser Verlust muss durch Auffüllen von destilliertem Wasser ausgeglichen werden. Unreines Wasser, dazu zählt in diesem Fall auch Leitungs- und Mineralwasser, würde die Batterie innerhalb kurzer Zeit unbrauchbar machen. Schlecht arbeitende Spannungsregler der Lichtmaschine begünstigen die Zersetzung des Wassers und machen einen hohen Wartungsaufwand der Batterie erforderlich.
Die Spannung des Spannungsreglers sollte vor allem für wartungsfreie Autobatterien idealerweise bei 14,2 Volt liegen. Liegt die Reglerspannung höher, verliert die 100% wartungsfreie Batterie schnell zu viel Wasser, was sich negativ auf ihre Lebensdauer auswirkt, liegt sie darunter wird sie eventuell nicht richtig voll, was ebenfalls ihre Lebensdauer verkürzt. Da sie dann zu viel ihrer Kapazität aufwenden muss und zusätzlich noch eine erhöhte Gefahr von für die Batterie schädlicher Sulfatierung besteht. Bei einer nicht wartungsfreien Batterie kann die Reglerspannung auch höher liegen, sollte aber auch hier keine 14,8 Volt erreichen.
Starterbatterien sollten auch nicht über längere Zeit (mehrere Wochen), ohne sie zu laden, stehen gelassen werden. Müssen sie doch einmal über längere Zeit stehen, mindestens die Batterie davor vollladen. Starterbatterien haben üblicherweise eine hohe Selbstendladung, zudem besteht beim Stehenlassen der Batterie - ohne sie zu laden - eine erhöhte Gefahr von schädlicher Sulfatierung. Zu langes Stehenlassen schadet daher der Batterie. Die Spannung der Batterie sollte auf keinen Fall unter 11,8 Volt abfallen, sonst droht die Gefahr einer Tiefenentladung, die der Batterie ebenfalls sehr schadet und worauf sie in Zukunft auch nicht mehr ihre volle Nennkapazität zur Verfügung stellen kann.
Die Ladespannung sollte bei etwa 15 - 25°C im Bereich von 13,8 bis 14,4 Volt liegen. Der Ladestrom sollte idealerweise ein Zehntel der Batteriekapazität betragen und besser ein Drittel der Kapazität auch nicht übersteigen.
Die Gasungsspannung liegt bei etwa 14,4 Volt und sollte beim Laden vor allem bei 100% wartungsfreien Starterbatterien nicht überschritten werden.
Die Klemmspannung kurz nach dem Beenden der Ladung einer soeben vollgeladenen Starterbatterie, wird von der Ladespannung zuerst schnell auf etwa 13,2 Volt und von da ab langsamer bis auf etwa 12,7 Volt abfallen.
Die ungefähre Kapazität kann an einer Starterbatterie auch an der noch verfügbaren Klemmspannung in etwa abgeschätzt werden. Die Spannung wird dazu direkt an der über mehrere Stunden unbelasteten Batterie gemessen.
| Klemmspannung | Ungefähre Kapazität |
|---|---|
| 12,65 V | 100 % |
| 12,45 V | 75 % |
| 12,24 V | 50 % |
| 12,06 V | 25 % |
| 11,89 V | 0 % |
Das Verfahren gibt nur dann eine halbwegs verwertbare Kapazitätsangabe, wenn die Batterie nicht hochohmig geworden ist. Oder durch etwa Zellenschluss, die Ruhespannung generell unter der Nennspannung liegt. Eine hochohmige Batterie erkennt man daran, dass sie beim Laden sehr schnell "voll" ist (also keinen Strom mehr annimmt), die Spannung aber sofort - auch bei Entnahme kleiner Ströme - wieder zusammenbricht. Ist die Starterbatterie dagegen noch in Ordnung, sollte sie auch problemlos und ohne dass dabei die Spannung zu stark einbricht, für ein paar Sekunden das in etwa 3 fache ihrer Nennkapazität an Strom liefern können.
Bei nicht wartungsfreien Ausführungen (solchen mit Schraubstopfen) kann auch ein Säureheber mit Aräometer zur Kapazitätsprüfung verwendet werden.
| Säuredichte | Ungefähre Kapazität |
|---|---|
| 1,28 kg/dm³ | 100 % |
| 1,24 kg/dm³ | 50 % |
| 1,12 kg/dm³ | 0 % |
Sicherheitshinweise:
- Beim Abklemmen der Batterie zuerst den Minuspol, und dann den Pluspol. Beim Anklemmen in umgekehrter Reihenfolge.
- Beim Laden mit Batterieladegerät, Verschlussstopfen entfernen, Achtung: Funkenbildung vermeiden (nicht Rauchen) Explosiongefahr, da Knallgas entsteht.
- Kinder von Batterien fernhalten.
- Batteriesäure ist stark ätzend, deshalb Schutzbrille und Schutzhandschuhe tragen. Nicht kippen, da durch die Entgasungsöffnungen Säure austreten kann.
- Säurespritzer im Auge sofort mit kaltem Wasser gut ausspülen, danach sofort Augenarzt aufsuchen.
Ausblick
Bei vielen Automobil-Herstellern laufen Versuche, das bisherige 12-Volt-Bordnetz langfristig mit höheren Spannungen zu betreiben (42-Volt-Bordnetz, mit 36-Volt-Batterie). Dadurch verringern sich die Leitungsquerschnitte, da bei gleicher Leistung weniger Strom fließt. Der Spannungsabfall an Kontakten verringert sich und die Störungssicherheit nimmt zu. Die Entwicklungsprojekte zur 42V-Technik haben jedoch viele ungelöste Probleme aufgezeigt, so dass sich zumindest die Einführung stark verzögert. Weitere Vorteile dieser neuen Spannungsebene im Kraftfahrzeug hätte die Kombination mit dem Kurbelwellen-Startgenerator.
Ein weiterer Ansatz, des gestiegenen Energiehungers moderner Wagen Herr zu werden, besteht darin, zwei Batterien zu verwenden. Eine dient dabei normalerweise als reine Starterbatterie, die andere als Versorgungsbatterie. Bei erhöhtem Energiebedarf können aber auch einfach beide zusammengeschaltet werden.
In der PKW-Oberklasse gibt es seit einiger Zeit die Notwendigkeit, den Zustand der Batterie über ein Batterie-Energiemanagementsystem zu steuern und zu überwachen. Normale, für den Fahrbetrieb (nicht den Komfortbetrieb!) notwendige Systeme wie ABS, Einspritzanlage etc. sind auf eine gute Spannungsversorgung angewiesen. Der Trend zur Überladung der Fahrzeuge mit immer neuen und erweiterten Komfortfunktionen (beispielhaft zu nennen: Sitzverstellung, Standklima, Scheinwerferheizung, Multimedia-Systeme, Massagesitze etc. pp.) hat den Energieverbrauch kontinuierlich steigen lassen. Sicherheitrelevante Systeme müssen zwingend ausreichende elektrische Energie bekommen, so dass der Ladezustand der Batterie permanent überwacht wird. Im Falle von Energiemangel schaltet das System eigenständig „unwichtige“ Verbraucher ab, um die „lebenswichtigen“ Geräte noch sicher beliefern zu können. Derartige Systeme ermöglichen u. a. auch die Überwachung von Ruheströmen, und damit die Detektion von fehlerhaften Steuergeräten bzw. Kabelschäden und Kurzschlüssen. Zur Erfassung der Ströme wird ein Stromsensor in das zentrale Batteriekabel montiert. Zwingend notwendig werden solche Batterieüberwachungssysteme u. a. durch die elektrohydraulische Bremse und -Lenkung bzw. allgemeiner alle Drive-by-Wire-Systeme, auch wenn diese nicht sicherheitskritisch sein sollten.