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Diese Seite
befasst sich mit der Stromerzeugung durch Lichtmaschine, Solar und 230V, mit
den Steuersignale D+ und deren Variationen sowie der
Ladeverstärkung durch einen Ladebooster. Die Beschreibung ist für die allgemeine Verständlichkeit vereinfacht dargestellt.
Mehr zu diesem "spannenden" Thema finden Sie in meinem Buch
"Strom
und Spannung im Wohnmobil", in dem die einzelnen Themen ausführlicher erklärt sind.
Teil 1
Teil 2 (aktuelle Seite)
Teil 3
Teil 4
Stromerzeugung im Wohnmobil
Die Stromerzeugung fürs Wohnmobil erfolgt auf mehrere Arten, über deren Vorteile und Nachteile man stundenlang diskutieren kann.
Über eines braucht man allerdings nicht zu diskutieren und das ist die Notwendigkeit.
Zuerst einmal die technischen Möglichkeiten:
Im Fahrbetrieb versorgt die Lichtmaschine des Basisfahrzeuges die Bordelektronik mit ca. 13 - 14,1 V-Spannung
und lädt sowohl die Starterbatterie als auch die Aufbaubatterie(n). Wird der Motor abgeschaltet, trennt ein Trennrelais die Aufbaubatterie(n)
vom Bordnetz des Chassis, um eine Entladung der Starterbatterie durch die Aufbauelektrik zu verhindern.
Mit der gelieferten Nominalspannung heutiger Lichtmaschinen von ca.14,1 V
und 120-150A werden die Batterien in ca. 2-4h Fahrt auf ca. 80% SoC
aufgeladen. Wenn der Motor läuft und damit die Lichtmaschine dreht wird bei älteren
Fahrzeugen von der LiMa nicht nur Strom sondern auch ein Steuersignal D+ (Kl 61,
Motor dreht) erzeugt. Damit wird die "Batterieladewarnleuchte" im Armaturenbrett
gesteuert. Für den Wohnmobilaufbau wird das alte D+ Signal gerne zur Steuerung
von Aufbaugeräten verwendet (Trenn-/Koppelrelais Batterien, 12V-Betrieb,
Kühlschrank, ausfahrbare Treppe, Sat-Antenne, etc). Das alte D+ Steuersignal
wird aber von den neuen Multifunktionsreglern nicht mehr originär geliefert, es
muss von der Motorsteuerung bzw. einem D+ Simulator erzeugt werden.
Bei
neueren Fahrzeugen, so ca. ab Bj 2006, wird das Steuersignal D+ nicht mehr von
der Lichtmaschine erzeugt. Das Signal kommt jetzt aus dem Bodycomputer
(Motorsteuerung) und heist "D+ = aktive ground" oder "Engine run". D.h.:wenn der
Motor dreht wird diese Signalleitung gegen Masse geschaltet! Benötigt man
weiterhin das D+ = 12 V Signal muss man das neue D+ aktive Ground mit einem
Relais invertieren (D+ Konverter).
Bei
modernen Kompakt-Drehstromlichtmaschinen wird mit Hilfe von
Multifunktionsreglern (MFR) die Lichtmaschinenregelung in Verbindung
mit dem elektronischen Motormanagement verbessert. Die Lichtmaschine gibt dazu
mit dem DFM-Signal ihren Auslastungsgrad an die Motorsteuerung ECM bzw.
Bodycomputer, um z.B. bei steigender Belastung die Motordrehzahl und damit auch
die Ladeleistung zu erhöhen.
Die neueste Technologie, ab 2014 eingesetzt
z.B. bei Sprinter/Crafter EU6, beim Ducato EU6 150 PS EcoJet und bei
Fiat/Cit/Peu EU6 mit Start Stopp Automatik ist eine "intelligente
Generatorregelung“ in Zusammenarbeit mit einem Batteriesensor.
Dieser ist direkt an der Starterbatterie installiert und gibt Batteriespannung,
Temperatur und Lade-/Entladeströme an das elektronische Powermanagement.
In der Motorsteuerung werden Batteriealter, Temperaturkompensation, Ladung und
Entladung, sowie der aktuelle SoC der Startbatterie in einem Powermanagement
verarbeitet. Je nach Lastanfall wird dann über die Motorsteuerung der Generator
so gesteuert dass nur beim Bremsen und im Schubbetrieb eine Ladung der
Startbatterie auf ca. 90% SoC erfolgt. Steht der Motor unter Last wird die
Leistung von Lichtmaschine bzw. Generator heruntergefahren bis die Ladung auf
ca. 60% SoC gefallen ist. Dieses
Konzept bezieht die Smart-Charge-Regelung eines Multifunktionsreglers zwar mit
ein, geht aber mit der Lichtmaschinensteuerung erheblich weiter. Die
Lichtmaschine wird hier dynamisch an der Stromerzeugung beteiligt, und lädt die
Batterie bevorzugt beim Bremsen und im Schubbetrieb, also bei Motorentlastung.
Zitat MB: „Beim Beschleunigen und bei Konstantfahrt wird die
Leistungserzeugung der Lichtmaschine eingeschränkt, d.h. dem Antrieb steht die
volle Motorleistung zur Verfügung“. So kann man es natürlich auch
ausdrücken um die Verringerung der Lichtmaschinenleistung positiv darzustellen.
Aufgrund des Wechselspiels in einer intelligenten Generatorregelung
(Batterie auf 95% SoC, Batterie auf 60% SoC), bzw. der daraus resultierenden
Spannungsänderungen zwischen 11,8 V und 14,8 V, darf die Aufbaubatterie nicht
direkt mit der Startbatterie verbunden werden.
Zitat eines anderen Herstellers:
"Eine 100 prozentig geladene Batterie kann durch Rekuperation keine Energie
aufnehmen und wird somit bei der intelligenten Generatorregelung vermieden"
In diesem Fall ist ein angepasster Ladebooster (B2B-Regler) mit
Rückstromunterdrückung erforderlich. Er erhöht die Ladespannung mit Hilfe einer batterieabhängigen
I/UoU Kennlinie auf bis zu 14,6 V und optimiert damit die Batterieladung. Dabei
sollte der Ladebooster so angeschlossen werden, dass der
Chassis-Batteriemonitor die Stromentnahme mitzählt und der Motorsteuerung mitteilt.
Die Funktion "Rückstromunterdrückung" stellt sicher, dass sich die, auf 100% SoC
geladene, Aufbaubatterie nicht in die, zu 50% SoC geladene, Startbatterie
entlädt.
Dazu aber ein paar
grundsätzliche Dinge:
Der erste Punkt, die Lichtmaschinenleistung: Der X250 hat serienmäßig eine 120 A LiMa.
Diese versorgt das Chassis mit Motorsteuerung, Klimaanlage, Fensterheber, Licht, etc. und lädt die 70 Ah
Startbatterie. Das Chassis benötigt ca. 50-60 A für seine Aufgaben, für die
Ladung der Aufbaubatterie bleiben rechnerisch ca. 40-60 A übrig.
Die erste Ladungsminderung: Die Überlastregelung einer Lichtmaschine.
Durch Belastung und ggf. mangelnde Kühlung durch Fahrtwind erwärmt sie sich und der LiMa-Wicklungstemperaturfühler regelt
darauf hin die Leistung zum Schutz gegen thermische Überlast zurück. Bei Kälte
(0°C) beträgt die Lima-Leistung 1500 Watt im Sommer bei wenig Kühlung durch
Luft (90°C) beträgt die Leistung nur noch ca. 1150 Watt.
Bei Lichtmaschinen
mit "Smart Start Funktion" (Ab Bj 2007) bzw. bzw. "Engine smart
Management", (ab Bj 2014) wird außerdem die Lichtmaschinenspannung von ca. 14,5V
temperaturkompensiert geregelt. Bei Temperaturänderungen, ausgehend von 25°C,
wird die Spannung pro °C um 10mV gesenkt oder erhöht, also bei 20 °C = 14,45V
und bei 75 °C = 13,95V!!
Die zweite
Ladungsminderung: Die zu ladende Batterie. Nicht die Lichtmaschine oder ein Ladebooster regelt den Strom der in eine
Batterie fließt. Beide begrenzen ihn höchstens nach oben. Die Batterie regelt den einfließenden Strom durch die
bei Ladung ständig steigende Quellenspannung (früher EMK neudeutsch SoC) und ihren
Innenwiderstand. Deshalb fließt immer ein hoher
Anfangsstrom, der sich allerdings an der variablen Leistungsgrenze der LiMa orientiert. Sagen wir also 30 A.
Nach fünf Minuten sind es aber keine 30A mehr sondern nur noch 28 A, die Batterie wird ja voller.
Das Spiel geht bei einer Limaspannung von 13,8 V vielleicht noch 2-3 Stunden weiter, zum Ende hin mit vielleicht 5 A,
dann ist die Batterie zu 80% gefüllt. Hängt die Lima aber an ihrer Leistungsgrenze von 120A (alle Verbraucher/Batterien zusammen)
sinkt die Ladespannung auf ca. 13 V bis herunter auf 12,5 V. Bei diesen Spannungen fließen aber keine 30 A in die
Batterie, sondern vielleicht nur 15 A.
Fazit: Die Lichtmaschine, bzw. deren unbekannte Reserveleistung
ist die Engstelle des Ganzen. Bei serienmäßiger Lichtmaschine ist ein 25 A Ladebooster sicherlich in einigen Fällen (Euro6
Regelung, dünne Kabel und/oder lange Kabel zur Aufbaubatterie) sinnvoll, das muss man halt anhand der LiMa/Start/Aufbaubatterie-Konfiguration ausmessen.
Ein 45 A Booster oder mehr, lädt die Bleibatterie auch nicht schneller voll als ein 25 A Booster, es sei denn die LiMa wurde verstärkt
und die Startbatterie liefert die fehlende Lima-Leistung nach.
Bei der Ladung einer Lithiumbatterie sieht es allerdings besser aus, aber auch hier muss die entsprechende Reserveleistung der
Lichtmaschine/Startbatterie Kombination zur Verfügung stehenBei manchen Batterietypen, wie z.B. einer Gel-Batterie sind "Schnellladung"
sogar der Lebensdauer abträglich. Ein lebensdauererhaltender Ladestrom sollte bei ca. 15 bis maximal 20% der Batteriekapazität liegen.
Stromerzeugung im Standbetrieb, 230V Landstrom:
Externen 230 V Anschluss.
Über einen FI/LS Schutzschalter wird das Ladegerät des Aufbaus an Landstrom (230 V) angeschlossen, das über seinen
12 V Ausgang die anderen Verbraucher des Aufbaus versorgt und die Aufbaubatterie lädt.
Ein modernes Ladegerät, auch EBL oder EVS genannt, richtet die 230V Wechselspannung gleich und gewinnt daraus typspezifisch
ca. 13,8-14,6V Ladespannung mit ca. 12-20 A Ladestrom für die Aufbaubatterien. Eine eingebaute Elektronik regelt,
im Gegensatz zur Lichtmaschine, die Ladespannung
für die Batterie nach einer, an den Batterietyp besser angepassten, I/UoU Kennlinie. Die übrigen Verbraucher sind über Sicherungen an die
Batterie angeschlossen. Fällt die 230 V Versorgung aus oder wird diese ausgeschaltet werden die Verbraucher mit der in der
Batterie gespeicherten Stromkapazität versorgt.
Stromerzeugung im Standbetrieb, Solaranlage:
Eine Solaranlage, bestehend aus Solarpanel, Solarregler und
Speicherbatterie, die Strom aus Sonnenlicht gewinnt und diesen in das 12 V Netz des Aufbaus einspeist.
Und hier ein paar Zahlen, die eine Leistungsabschätzung ermöglichen:
An meinen Wohnort in Oberbayern betrug im April 2019 die tägliche Sonneneinstrahlleistung 126 kWh/m2.
Dieser Wert geteilt durch 30 Tage bei einem Panel Wirkungsgrad von 15% ergibt ca. 630 Watt/h pro Tag.
Bei einer Panelfläche von 1m2 und einer 90° Ausrichtung zur Sonne kann ich also mit 630 Wh bzw 48 Ah rechnen.
Dies ist aber aufgrund von Jahreszeit, Bewölkung ein ständig wechselnder Wert und kann damit nur statischgesehen werden.
Man hat deshalb eine Testumgebung "Standard Test Condition (STC) mit folgenden Bedingungen geschaffen:
Einstrahlleistung 1000W/m2 bei 25°C und einem Lichtspektrum AM 1,5 und 90 Grad Einstrahlwinkel.
Daraus ergeben sich bei einem Panel Wirkungsgrad von 16% eine theoretisch erreichbare Spitzenleistung von grob 150Wp/m2.
Bei 6,5h Einstrahlung ergäben sich damit ca. 75 Ah.
Bei einer Konstantbestrahlung erhalten Sie lt. Hersteller-Datenblatt nach STC 75 Ah, nach DWD-Einstrahlungskarten ca. 48 Ah,
das ist schon eine gewaltige Streuung! Von den WP-Leistungsangaben des Solarpanels müssen Sie dann noch die
-
Leistungseinbuße durch Neigungsfehlstellung (10-20%),
-
den aufheizungsbedingten Verlust (ca. 10-20%), Kabel-, Anpassungs- (Solarregler)
-
und Umwandlungsverluste (Batterie) (10%) abziehen.
Grob über den Daumen gepeilt ergibt sich daraus ein Verlust von ca. 30-50%
Praktisch gesehen kann man aber ganz einfach den Nennstrom x Batteriespannung nehmen (z.B. 4,3A x 13V, dann erhält man die tatsächliche
erzielbare Leistung (z.B. ca. 56W bei einem 85Wp Modul).
Teilabschattungen des Solarpanel mindern die Leistung zusätzlich
und werden durch ungünstigen Montageort (hinter aufgestellter Sat-Antenne, hinter Alkoven) und/oder durch einen ungünstigen Standplatz
(Bäume, Gebäude) hervorgerufen.
Stromerzeugung im Standbetrieb, Notstromagregat, Moppel:
Ein externer 230V-Generator (Moppel), der über einen Verbrennungsmotor angetrieben wird und eine
Spannung von 230V~ erzeugt, die über den externen 230V Eingang eingespeist wird. Hier sollte man des lieben Friedens willen dringend
zwei Dinge beachten, nämlich den Geräuschpegel des Motors (vor allem nachts) und die Belästigung durch die Abgase.
Stromerzeugung im Standbetrieb, Brennstoffzelle:
Die Bereitstellung einer 12V-Versorgung durch die neue Technologie der Brennstoffzellen.
Hier wird mit Hilfe eines Brennstoffes (meistens Methanol) geräusch- und abgasfrei eine 12V Spannung zur Ladung der
Aufbaubatterien zur Verfügung gestellt.
Was man braucht oder für notwendig hält, ist eine sehr individuelle Entscheidung. Als kleine Hilfe zur Entscheidungsfindung kurz ein paar
Punkte zu Hochleistungsladeregler, Solaranlage und Stromgenerator:
Wer viel fährt und wenig steht, ist mit einem B2B Ladebooster gut beraten, denn man hat schon nach relativ kurzer Fahrt die
Batterien voll und steht ja nicht lange.
Wer im Sommer lange autark (in der Sonne!!) steht, ist mit einer Solaranlage bestimmt besser bedient, denn die Batterien werden im Stand
geladen. Steht das Wohnmobil auch in der Winterpause im Freien, braucht man sich über Entladung der Start/Aufbaubatterien keine Sorgen zu
machen, solange das Solarmodul nicht anhaltend mit Schnee bedeckt ist.
Wer im Winter lange (mehr als 2 – 3 Tage) steht und nicht fährt, wird einen Stromgenerator bzw. eine Brennstoffzelle schätzen, da hier
weder der Hochleistungsregler noch die Solaranlage viel zur positiven Energiebilanz beitragen.
Sowohl beim Hochleistungsladeregler als auch bei der Solaranlage nutzt aber die zusätzliche Stromerzeugung gar nichts, wenn der erzeugte
Strom nicht gespeichert werden kann und das bedeutet ausreichend Batteriekapazität. Diese wiederum hängt von den höchst individuellen
Lebensgewohnheiten und dem elektrischen Zubehör ab. Eine Beispielrechnung finden Sie unter dem Thema Stromverbrauch.
Solarpanel, Verschaltung, Laderegler, Temperaturverhalten, Abschattungseffekte
Eine Solaranlage besteht aus mindestens einem Solarmodul, einem
Solarregler und einer Speicherbatterie.
Die Aufgabe des Solarmoduls ist es, Strom zu produzieren, der Solarregler übernimmt die Aufgabe
die erzeugte Leistung für eine Batterieladung aufzubereiten und die Batterie ist für die Speicherung zuständig.
Für die Abstimmung von Solarpanelleistung zur notwendigen Batteriekapazität gibt es eine Faustformel:
nämlich Solar Wp Batt Ah bis zur empfohlenen Entladungstiefe. Also 120 Wp bei einer 200 Ah Batterie mit einer Entladungstiefe
DoD von 60%.
Bei dieser Art von Stromgewinnung schlagen die
auftreffenden Photonen der Lichtwellen in einem Teil der Siliziumzelle eine
Ladung (Elektronen) aus dem Siliziumkristallgitter. Dadurch wird an einer
Grenzschicht eine Ladung (Spannung) aufgebaut.
Ab einer gewissen Spannung
fließt dann die Ladung als Strom (Stromquelle)
über den Verbraucher als Ladungsausgleich in den anderen Teil der Solarzelle
zurück. Die ist aber eine sehr vereinfachte Erklärung, wer mehr darüber wissen
möchte muss sich mit der der Quantentheorie des Lichtes beschäftigen.
Je
nach Lichteinfall (Tagesanbruch, Mittag, Dämmerung) und äußerem Widerstand
stellt sich an den Anschlussklemmen des Panels eine Spannung ein. Die Größe der
Zellen bestimmt die maximale Stromstärke. Der jeweilige Strom (Menge des
Sonnenlichtes) und die Spannung aufgrund des Verbraucherwiderstandes ergeben
einen Leistungspunkt (Power Point) des Panels. Da dieser Leistungspunkt je nach
Strahlung und Last wandert, sollte sich der Solarregler darauf einstellen können
(Siehe MPPT Regler). Die Stromabgabe ist abhängig von der Intensität, der Art
der Einstrahlung (Direkteinstrahlung und/oder diffuse Einstrahlung bei Wolken)
sowie der Abschattung und der Paneltemperatur.
Eine Solarzelle erzeugt eine Leerlaufspannung von ca. 0,6 Voc. Sobald ein Strom fließt sinkt die Spannung auf den Arbeitspunkt von ca. 0,5
Vmpp ab. In einem Solarpanel werden die einzelnen Zellen in Reihe geschaltet, es kann aber bei einem größeren Panel auch sein, dass zwei 36 Zellenstränge
parallel geschaltet werden.
Hat man 36 Zellen auf einem Panel mit ca. 0,7 m2 in Reihe geschaltet, kann man bei ca. 18 V mit ca. 85 Wp Ertrag rechnen.
Beträgt die Größe des Panels ca. 1 m2 kann man schon mit ca. 120 Wp Ertrag rechnen. Die Modul-Arbeitsspannung Vmpp muss dabei
immer größer sein als die Ladeschlussspannung der Batterie.
Damit die Leistung der Solarpanels vergleichbar wird hat die Industrie eine
„Standard Testbedingung“ STC,
(Einstrahlungsleistung 1.000 W/m2 bei 25°C, Lichtspektrum AM 1,5 und 90° Einstrahlwinkel) definiert.
Unter diesen Bedingungen wird die Leistungsabgabe Wp, oft auch als
Nennleistung genannt, gemessen.
Ein Solarpanel mit einer Fläche von 1m2 und einem Modul-Wirkungsgrad von ca. 16% erzeugt bei STC eine theoretisch erreichbare
Leistung von grob 160 Wp/m2. Bei sechs Stunden Einstrahlung nach STC ergeben sich damit ca. 960 Wp/h bzw. 74 Ah.
Das erste wichtige Kriterium für die Leistung ist der
Einstrahlwinkel. Bei Wohnmobilen sind die Module meist waagerecht
auf dem Dach montiert. Eine bessere Position wäre allerdings ein Aufstellwinkel zwischen ca. 30° und 50° mit Ausrichtung des Wohnmobils
bzw. der Panelfläche nach Süden. Nur in dieser Ausrichtung wird die maximal erzielbare Leistung (Wp im Datenblatt) erreicht.
Leichte Bewölkung mindert die Leistung, aber eine
Teilverschattung eines Moduls kann sie abbrechen.
Sie hat also auch einen leistungsmindernden Einfluss. Eine Teilverschattung kann man sich bildlich wie einen Tritt auf einen Gartenschlauch
vorstellen, die abgeschattete Zelle ist eine Engstelle und blockiert den gesamten Stromdurchfluss!
Ein weiterer leistungsmindernder Einfluss
ist auch die Paneltemperatur. Sie kann an einem Sommernachmittag leicht auf über 75°C ansteigen. Pro 10°C sinkt
die Leistung aber um ca. 4,5%. Das sind dann, ausgehend von 25°C STC, bei 50K Temperaturdifferenz über 22% Leistungseinbuße.
Sie kann im Winter aber auch auf -5°C sinken, das wären dann, bezogen auf 25°C STC eine Differenz von 30K und
damit ca. 14% mehr Ertrag.
Dafür hier einmal eine kleine Beispielberechnung:
Gehen wir dabei zuerst einmal von einer Paneltemperatur von 25°C und einem 36-Zellen Modul aus.
Wir haben 36 Zellen x 0,51 V = 18,4 Vmpp Arbeitsspannung (bei 25°C!). Wenn man davon ca. 0,5
V Reglerverlust (Rückflusssperrdiode, MosFet) abzieht haben haben wir ca. 17,9 V zur Verfügung.
Der unterste Regel- bzw. Einsatzpunkt der
MPP Regelung liegt bei 15,4 V (Quelle Votronic) Wir haben also einen MPPT Regel- bzw. Suchbereich von ca. 2,5V!
Gehen wir jetzt einmal von einer Paneltemperatur von 70°C aus. Wir haben weiterhin 36
Zellen und 18,4 Vmpp. Pro Grad Celsius, ausgehend von 25°C (STC) verringert sich die Spannung pro Zelle um 0,0022 V!
Bei 36 Zellen und 45K Temperaturdifferenz ergibt dies 0,0022 V x 36Z x 45K = 3,56 V.
Ziehen wir den Temperaturverlust von 3,56 V und den Reglerverlust (Rückflusssperrdiode, MosFet) von 0,5 V ab,
erhalten wir eine Batterieladespannung von maximal 13,8 V! Diese Spannung liegt 0,4V unter der empfohlenen AGM Ladespannung von
14,4V. Bei dieser Spannung kann auch ein MPP Regler nichts mehr ausrichten.
Von der Wp Angabe des Solarpanels müssen Sie also die Leistungseinbuße durch
Einstrahlungsdämpfung (Wolken, Dunst),
Einstrahlungswinkel (Sonnenstand, ca. 10 bis 20%), eventuelle
Teilabschattung (Sat Antennen, Hekis), den aufheizungsbedingten Verlust (ca. 10 bis 20%), die
Kabel- und
Anpassungsverluste (Wirkungsgrad Solarregler) und Umwandlungsverluste (Batterie, ca. 10%) abziehen.
Grob über den Daumen gepeilt ergibt sich daraus ein Verlust von ca. 30 bis 50%.
Für den Anschluss mehrer Panes an den Solarregler gibt
esgrundsätzlich zwei Möglichkeiten:
Bei einer Parallelschaltung von Solarmodulen bestimmt der Mittelwert der Spannungen (Vmpp) die Eingangsspannung am Solarregler.
Und wo wenig Spannung ist kann auch keine Verschiebung des MPP eine Verbesserung der Leistung bringen.
Eine Verschattung eines Panels wirkt sich nur auf die Leistung
des verschatteten Panels aus.
Bei einer Reihenschaltung bestimmt der kleinste Strom (Impp) eines Panels den Gesamtstrom, und „kleinerer Strom“
entsteht schon, wenn eine oder mehrere Zellen eines der Panels im Schatten
liegen. Allerdings wird durch die höhere Ausgangsspannung der Regelbereich des
MPP Reglers größer. Aus sicherheitstechnischen Gründen (Berührungsschutz) sollte
die Ausgangsspannung der Reihenschaltung nicht über 60 V DC liegen.
Mehrere gleiche Solarmodule können „parallel“ (doppelter Strom, dickere Kabel) oder „in Reihe“ (doppelte Spannung, verschattungsempfindlicher)
an den entsprechend dimensionierten Solarregler angeschlossen werden.
Was davon Sinn macht, hängt von der erzeugten Modulspannung und dem gewählten Solarregler
ab.
Damit die Ladung möglichst batteriegerecht erfolgt muss ein
Laderegler (Solarregler) nachgeschaltet werden. Er kontrolliert die
Ladespannung vom Solarpanel zur Batterie je nach Batterietyp und Ladephase und
schützt die Bleibatterie vor Gasung. An guten Ladereglern kann man die unterschiedlichen
Ladekriterien für Nass/AGM1/AGM2/Gel/Li-Batterien einstellen.
Da der jeweilige Leistungspunkt (Power Point) je nach Einstrahlung und
Last wandert, sollte der Solarregler diesem veränderten Leistungspunkt folgen
können (Siehe MPPT Regler).
Die Regler verfügen teilweise über eine Regelung, die durch kurze Erhöhung der
Erhaltungsladungsspannung auch Säureschichtungen einer Nass-Batterie vermischen. Eine Temperaturkompensation ist bei einem Solarregler äußerst wichtig, denn die
Solaranlage läuft ja im Dauerbetrieb, auch im Winter. Sie steuert die Anpassung der Ladespannung bei unterschiedlichen Batterietemperaturen.
Es ist deshalb sinnvoll, den Temperatursensor mit direktem thermischem Kontakt zur Batterie zu
montieren.
Beide Optionen sind aber im Zusammenhang mit LI Batterien kontraproduktiv!
Neuere Solarregler bieten außerdem ein Steuersignal S+, um bei genügend Solarstrom und vollen Batterien die AES-Steuerung des Kühlschranks
zum Umschalten von Gas auf das 12V Bordnetz zu animieren, obwohl der Motor nicht läuft.
Solarladeregler gibt es in verschiedenen Technologien: Der PWM Regler,
auch PWR genannt, gleicht einem Schalter,
der das Solarpanel zeitweise mit der Batterie verbindet. Auf Deutsch kann man es auch mit Pausenmodulierter Leistungsregler übersetzen.
Das Solarmodul erreicht ab einer gewissen Einstrahlung eine Spannung und liefert dann Strom. Spannung und
Strom ergeben eine Leistung (Wp). Diese gelieferte Leistung aus Umpp und Impp wird in Ladungspulse zerlegt, deren Pausen variieren.
Wird die Batterie voller, werden die Ladungspulse kürzer bzw. die Ladungspausen länger.
Auch die Höhe der Ladeschlussspannung U (Nass/Gel/AGM2/Li) wird über das Pulslänge / Pulspausenverhältnis geregelt.
Ist die Batterie voll wird auf Erhaltungsladung Uo 13,8 V umgeschaltet. Ein PWM Regler darf nicht ohne Batterie als Puffer
betrieben, da sonst die Ausgangsspannung eventuell auf die Modulspannung Vmpp hochschnellen kann.
Ein Leistungsbeispiel: Das Panel selbst liefert 18,5 Vmpp und 5,5 A, also
102 Wp. Diese Spannung Vmpp wird auf 14,4 V Ladespannung
reduziert. Es werden also bei 14,4 V nur ca. 80 W am Reglerausgang erreicht. Die maximale Leistung wird nicht erreicht!
Bei kälterer Temperatur liefert das Modul 20 Vmpp mit 5,5A, also 110 Wp. Da aber die Ladespannung trotzdem bei 14,4 V
liegt, wird die gestiegene Spannungsdifferenz von 5,6 V, nicht genutzt und ca. 31 W werden verschenkt.
Die Abgabeleistung liegt weiterhin bei ca. 80 W. Sinkt bei Verschattung die Vmpp des Panels unter 16 Vmpp, so ist die Differenz von 1,6
V für eine rasche Ladung einer AGM/Li zu klein, da ja außerdem ca. 0,5V an den
Schalttransistoren verloren gehen.
Der
MPPT Laderegler (Maximum Power Point Tracking) ist elektronisch erheblich aufwendiger. Er sucht zuerst,
abhängig von der Bestrahlungsstärke, Paneltemperatur und Solarzellentyp, auf der Strom/Spannungskennlinie den optimalen Leistungspunkt
des angeschlossenen Solarpanels. Er passt dafür seinen Innenwiderstand dem sich verändernden Innenwiderstand des Panels an.
Danach wandelt er die Leistung und erst dann erfolgt die Ladeanpassung an die Batterie.
Ein MPPT Regler arbeitet so gesehen in drei aufeinanderfolgenden Stufen.
In der ersten Stufe (MPP Suche) ermittelt der Regler
eingangsseitig die max. Strom-/Spannungsabgabe des Solarpanels mit Hilfe einer Belastungssimulation und errechnet daraus den
Punkt der maximalen Leistungsausbeute (P = U x I),
also wieder 18,5 Vmpp und 5,5 A und damit 102 Wp. Aber bei kühlem Wind können es auch 20 Vmpp und damit 110 Wp sein.
Diese, sich ständig wiederholende, Suche wird oft auch als "Verschattungsmanagement" bezeichnet.
In der zweiten Stufe setzt dann ein DC/DC Leistungswandler (Gleichspannungstransformator) den augenblicklich gefundenen Leistungspunkt,
also 102 Wp in eine, der Ladespannung von 14,4 V angepasste, Leistung um.
Er transformiert also eine Modulleistung aus 18,5 V Spannung und 5,5 A Strom in eine Leistung mit einer niedrigeren Spannung von 14,4 V
aber mehr Strom von 7 A. Die Leistung 102 W am Reglerausgang bleibt dabei (fast) gleich.
Steigt die Modulspannung auf 20 Vmpp wird auch diese Spannung transformiert und die Ausgangsleistung
steigt auf 110 W.
Für diese DC/DC Wandlung gibt es unterschiedliche Konzepte z.B. Step down oder Misch Step up, dies wird aber zum Vergleich in den
Datenblättern leider nicht angegeben. Diese MPP Suche und die Transformierung in eine möglichst hohe Ausgangsleistung
ist der große Vorteil eines MPP Reglers.
In der dritten Stufe, der Laderegelung, wird entweder die vom DC/DC Wandler gelieferte Leistung von 14,7 V und 7 A dann wieder in Ladungspulse
zerlegt und damit die gewünschte Ladespannung U erzeugt. Wird die Batterie voller, werden die Pausenintervalle länger.
Ist die Batterie voll wird auf Erhaltungsladung Uo umgeschaltet.
Eine andere Variante ist es, den Solareingang in einer Art PWM Verfahren abzutrennen um damit die Ladespannungen U/Uo zu erzeugen.
Die Solarspannung steigt bei ja Tagesanbruch erst langsam an und sinkt auch in der Dämmerung wieder langsam ab.
Wir kennen diese spannungsabhängige Steuerung ja von den Solarleuchten im Garten. Über die Spannung wird gesteuert ob der Akku geladen wird (Tag) oder sie LED
Leuchte einschaltet (Nacht).
Da ein MPP Regler einen optimalen Leistungspunkt sucht, diesen transformiert und damit der Ladeschlussspannung angleicht,
benötigt er zum Start eine Mindesteingangsspannung. Sie muss zum Start ca. 5V höher sein als die Batteriespannung Vbat. Auszug Datenblatt Victron MPP 75/15:
Die PV Spannung muss mindestens die Höhe von Vbat + 5V erreichen, damit der Regler den Betrieb aufnimmt. Danach liegt der Mindestwert der PV Spannung bei
Vbat + 1V. (also 13 V + 5 V = 18 Vmpp bzw. 13 V + 1V = 14 Vmpp, der Autor)
Bei einem MPPT Regler ist durch die bessere Anpassung gegenüber einem
PWM Regler in der Praxis eine um ca. 5-10%. höhere Leistung zu erwarten.
Und zum Schluss noch ein Zitat von Victron aus: Welcher Solar-Lade-Regler: PWM oder MPPT?
„Es ist allgemein anerkannt, dass ein MPPT- einen PWM-Regler in einem kalten bis mäßig warmen Klima übertrifft,
wohingegen beide Regler in einem subtropischen bis tropischen Klima in etwa die gleiche Leistung erbringen“.
Diese Aussage bezieht sich aber auf die Temperatur des angeschlossenen Solarpanels, den Regler selbst
interessiert das nicht, seine Betriebstemperatur liegt lt. Datenblatt bei -30 - +60°C.
Lichtmaschine und verschiedene D+ Steuersignale für den Aufbau
Zur Steuerung der Trennrelais Start/Aufbaubatterie, des 12 V
Absorberkühlschranks, der Ausfahrtreppe, der Sat Schüssel etc. wird ein
Steuersignal benötigt, das diese Funktionen entweder ab- oder zuschaltet wenn
sich das Fahrzeug bewegt.
Wenn der Motor läuft und damit die Lichtmaschine dreht wird bei älteren
Fahrzeugen von der LiMa nicht nur elektrische Leistung sondern auch ein
+12V-Steuersignal D+ (Generator dreht, Kl 61) erzeugt. Damit wird dann die rote Warnleuchte (Batterie,
Generator) am Armaturenbrett ausgeschaltet.
Mit dem Einzug der elektronischen Motorsteuerung (Bodycomputer) genügte dafür der
Informationsgehalt von „Generator dreht“ nicht mehr, es wurde deshalb auf ein
„Generator-Auslastungssignal“ DMF umgestellt. Dieses pulsförmige Signal teilt
der Motorsteuerung mit wie stark die Lichtmaschine durch die Verbraucher
ausgelastet ist. Das originäre D+ Steuersignal muss jetzt von der Motorsteuerung
ersetzt werden. Es wird als „Engine run“ oder „Motorstart“ z.B. aus dem
Kurbelwellensensor-signal erzeugt und ggf. nach außen geführt. Leider wird es
aber nicht mehr mit einem Spannungslevel von +12V erzeugt, sondern als "D+
aktive ground" auf Masse, also 0 V Level gelegt. Das heißt: Wenn der Motor dreht und die Lichtmaschine
läuft wird die D+ Signalleitung auf Masse gelegt, sonst ist sie hochohmig.
Das D+ Signal steht damit den Ausbauer in drei verschiedenen Formen zur
Verfügung, bei älteren Fahrzeugen als
- originäres D+ von der Lichtmaschine (bei Generator
dreht = +12V), bis ca. Bj 2005), oder als
- künstliches D+ von der Motorsteuerung (bei Motor
dreht = +12V), Ford, ca. ab Bj 2007) oder als
- künstliches und invertiertes D+ aktive Ground von
der Motorsteuerung (bei Motor dreht = 0V Masse oder D-), Ford, Fiat, ca. ab
Bj 2013).
Das Zünd+, bzw. ACC oder Key on
Signal als Ersatz für das D+ Signal (Motor
dreht), zu verwenden ist meiner Meinung nach keine so gute Lösung. Bei vielen
Fahrzeugen müss die Zündung eingeschaltet sein um z.B. Radio zu hören. In dieser
Situation für das dazu, dass das Trenn/Koppelrelais beide Batterien verbindet
und dass sich eventuell die Startbatterie in die Aufbaubatterie entleert oder
umgekehrt.
Aber es gibt Simulationen als Ersatz
für das D+ 12V Signal:
-
Die Spannung an der Startbatterie wird gemessen (U=
>13,6V), dies ist ein Indikator das die Lichtmaschine lädt
-
Ein Rütterlsensor (Votronic D+ Pro) erkennt
Motorvibrationen, zusammen mit Zünd.+ ist dies ist ein Indikator dass der
Motor läuft.
Hier ein Bild zum besseren Verständnis:
Die eingezeichneten "UND" Schaltungen und der
"Signalinverter" können sehr einfach mit normalen Kfz Relais aufgebaut werden.
Die "Spannungsüberwachung <13,6V" kann leicht über den programmierbaren
Schaltkontakt eines Batteriecomputers realisiert werden.
Achtung: Ein aktiv Ground Signal kann man nicht bei gezogenem
Stecker messen! Wenn dieses Signal nicht aktiv ist hat es meist einen „floating
Level“. Man muss das Signal gegen Plus messen. Wie Sie mit Hilfe eines Relais
das D+ aktive ground in ein D+ 12 V Signal invertieren können erfahren Sie hier:
Damit die Verwirrung noch ein bisschen größer wird haben die Hersteller von Ladegeräten ein chassisunabhängiges
und spannungsgeführtes D+ entwickelt. Diese Varianten machen das Verständnis der Aufbauelektronik
leider nicht einfacher, man muss schon aufpassen wenn man mit einem B2B Lader
nachrüstet oder eine Solaranlage installieren will.
Der B2B Ladebooster, technisch DC Step Up Wandler
Entwickelt wurde der B2B Laderegler (Batterie zu
Batterie), auch Ladebooster genannt, ursprünglich für den Bootsbereich um die
geringe Ladeleistung alter Topfgeneratoren bei niedriger Motordrehzahl
anzuheben.
Bei älteren Fahrzeugen (vor Bj 2000) liegt die Ladespannung bei etwa
bei 13,5 bis 13,8V. Heutige Kompaktdrehstromlichtmaschinen werden von ihrem
Laderegler auf eine Batteriespannung von 13,6 bis 14,1V eingeregelt. Damit wird
die Batterie typ- und bauartabhängig bei 6h Fahrzeit allerdings meist nur zu 80%
geladen. Der Ladebooster erreicht eine bessere Hauptladung
indem er den Strom der Lichtmaschine mit Strom aus der Startbatterie ergänzt.
Die Nachladung wird zeitlich verkürzt, indem er die von der
Lichtmaschine und Starterbatterie gelieferte Spannung für die Ladung der
Aufbaubatterie, auf bis zu 14,6 V erhöht (Step Up-Regler).
Aber Achtung: Wer am BC den
Ladestrom abliest sieht die Summe aus Lichtmaschinen- und Batteriestrom.
Der Booster erhöht zwar die Spannung, nicht aber die Lichtmaschinenleistung Die
Ladeleistung kann nur mit Unterstützung der Startbatterie erhöht werden.
Denn merke: Eine Batterie, die dem Anlasser 210 A liefern kann, unterstützt auch
einen Booster leicht mit 20 A!
Seit 2015 werden verstärkt energiesparenden
Ladestrategien (Euro 5/6) eingesetzt, aber ab Bj 2019 mit Euro 6d (Ford, MB,
Fiat, Citroen, Peugot, VW) kommt man um den Einsatz eines Boosters nicht herum.
Die erzeugte Leistung der Lichtmaschine schwankt durch ihre energiesparende
Steuerung sehr stark und die Startbatterie wird im Fahrbetrieb meist nur auf
einem SoC von ca. 50% Ladung aufgeladen um Rekuperationsenergie speichern zu
können.
Es gibt also schon Gründe, einen B2B Lader einzusetzen:
- Lichtmaschine unter 90A, Ladespannung unter 14 V
- Lange, dünne Ladekabel von Lima zu Aufbaubatterie
- energiesparende intelligente Lichtmaschinenregelung
Allerdings kann man sich den zusätzlichen Einsatz eines
Ladeboosters sparen wenn man ein Fahrzeug hat, das mit einer Lichtmaschine
>120A, einem Multifunktionsregler ausgestattet ist die eine Spannung von 14,2 V
erzeugt und die Aufbaubatterie im Fahrerhaus installiert ist. Der
Batterieladestrom eines Ladeboosters liegt je nach Modell zwischen 20 bis 75 A,
aber ein Ladebooster mit einer Angabe "Ladestrom 25 A" ist in meinen Augen ein
Spielzeug und mehr Begrenzer als Lader. Die 25 A Ladestrom schafft eigentlich
jeder neuere Transporter Lichtmaschine ab 100 A. Beachten sollte man aber dass auch hier
Umwandlungsverluste entstehen, bedingt dadurch liegt sein Wirkungsgrad bei ca.
90%. Mit einer Stunde Fahrt könnten sich so ca. 18 bis 45 Ah
(Umwandlungsverluste) in die Aufbaubatterie laden lassen. Allerdings sollten Sie
berücksichtigen, dass die Batterie den Ladestrom bestimmt, egal was der Booster
leisten könnte. In vielen Diskussionen mit Wohnmobilfahrern und in
Wohnmobilforen wird man immer wieder mit folgender Aussage konfrontiert: "mit meinem Ladebooster lade
ich meine Batterie in 2 Stunden auf" oder "so ein Booster liefert 50 A".
Diese beiden Aussagen möchte ich
einmal näher beleuchten. Ich gehe dabei von einer "Normalausstattung" mit einer
120 A Lichtmaschine, einer 70Ah Startbatterie, von einer 200 Ah Lithium Aufbaubatterie und einem Ladebooster mit maximal 50 A aus.
Ich versuche das mal mit einem Bild zu erklären, das die verschiedenen Phasen
mit ihren Strömen und Spannungen aufzeigt:
Phase 1:
Den Start mit dem Anlasser, der für
3-5 Sekunden ca. 210A benötigt und diese aus der Startbatterie entnimmt. Die
Lichtmaschine ist zurückgeregelt um den Anlasser nicht noch zusätzlich zu
belasten, die nicht startrelevanten Verbraucher sind noch nicht aufgeschaltet,
der Booster ist von der Aufbaubatterie getrenn, da D+ fehlt.
Phase 2:
Den Anfang einer Fahrt bei der die Lichtmaschine noch eine gemütliche Temperatur
von 20°C hat und mit voller Leistung die angeschlossenen Verbraucher (Chassis,
Startbatterie, Ladebooster) mit einer Spannung von ca. 14,55 V und einem
maximalen Strom von 150 A (2,2 kW) versorgt. Der Booster lässt 50 A zur
Aufbaubatterie durch. Es könnte mehr sein, er arbeitet in dieser Phase oft als
Begrenzer!
Die Batterie mit ihrem SoC von 50% wird mit der Spannungsdifferenz
von 1,55V (14,55 V zu 13,2V) zügig gefüllt. Die IUoU Ladung befindet sich in der
I Phase.
Phase 3:
Nach 1-2 Stunden Fahrt, bei der die
Lichtmaschine schon eine recht hohe Temperatur von 75°C hat. Sie regelt jetzt
ihre Leistungserzeugung zum Schutz der Wicklung herunter. Die Spannung liegt
jetzt bei 13,95 V, der erzeugte Strom bei vielleicht noch 100 A (1,4 kW).
Die
Batterie mit ihrem SoC hat nach 1h Fahrt einen SoC von 70-80% erreicht. Durch
diese Ladung ist aber natürlich auch die eigene Quellspannung (EMK) der Batterie
gestiegen. Die Spannungsdifferenz beträgt jetzt nur noch 0,65V (13,95 V zu
13,2V), Die IUoU Ladung befindet sich in der Uo Nachladephase Phase, der
Ladestrom sinkt jetzt kontinuierlich auf ca 1 A.
Setzen Sie Gel- oder AGM Batterien im Aufbau ein ist die
Thematik und die Funktion eigentlich die gleiche. Lediglich die Quellenspannung
und die Ladezeiten sind aufgrund der Batteriechemie länger.
Stand 12.11.2021 |
