Starterbatterie
Die Starterbatterie (beim Kfz: Autobatterie, vgl. auch Bleiakku) ist ein Akkumulator und liefert den elektrischen_Strom für den Anlasser eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, Stromerzeugungsaggregats oder der Gasturbine eines Flugzeuges.
Eine Batterie, die als Energiequelle für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs dient, wird dagegen eher als Traktionsbatterie bezeichnet. Beim Hybridantrieb können entweder eine einzige oder mehrere Batterien im Einsatz sein.
Anforderungen
Das Anlassen eines Verbrennungsmotors durch den elektrischen Anlassermotor erfordert kurzzeitig hohe Ströme von mehreren 100 bis zu 1000 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. Eine Aufklärung über Typen und Kaufberatung bietet der ADAC unter [http://www.adac.de/Auto_Motorrad/Reparatur_Pflege/Batterie_Auswahl/default.asp?ComponentID=164292&SourcePageID=99913].
Aufbau
Starterbatterien sind Reihenschaltungen von Bleiakkumulator-Zellen, die jeweils eine Nennspannung von 2,12 Volt aufweisen. Um eine Nennspannung von 6 Volt bzw. 12 Volt zu erreichen, bedarf es daher der Reihenschaltung von 3 bzw. 6 solcher Zellen zu einer Batterie. Batterien mit 24 Volt sind höchstens für Lastwagen nötig und können bei Bedarf durch Reihenschaltung von zwei 12 Volt Batterien realisiert werden.
Blei-Starterbatterien lassen sich in Flüssig-, Vlies- und Gelbatterien unterteilen.
Probleme, Behandlung
Ätzend und giftig
Die Elektroden bestehen aus Blei bzw. Bleiverbindungen und sind deshalb giftig, die enthaltene Schwefelsäure ist stark ätzend. Damit ist beim Umgang mit Batterien äußerste Vorsicht geboten. Eine geborstene Batterie, z. B. bei einem Unfall o. ä. darf nur mit entsprechenden Schutzmaßnahmen, am besten von Fachleuten berührt werden. Der Elektrolyt (die Schwefelsäure) darf keinesfalls ins Erdreich eindringen. Das Entsorgen auch einer unbeschädigten Batterie ist nur über den Händler oder die Werkstatt gestattet. Wer mit Säure oder Chemikalien aus einer Batterie in Berührung gekommen ist, sollte einen Arzt aufsuchen.
Laden, Entladen
Zweitens sorgt die ständige Ladung und Entladung im Betrieb für eine ständige chemische Veränderung der eingepressten Stoffe Blei, Bleidioxid oder Bleisulfat. Das führt zwangsläufig zur allmählichen Lockerung der Pressung. Ähnliches geschieht durch Erschütterungen beim Fahren. Wenn die Stoffe aber locker werden, dehnen sie sich aus und fallen schließlich nach unten. Dabei sammeln sie sich am Boden des Akkus. Dort sind zwar Mulden vorhanden, in denen sich der 'Schlamm' sammelt, aber irgendwann sind diese voll und der Bodensatz berührt die Zellen. Das bewirkt zunehmend einen Kurzschluss der Zelle. Man bezeichnet den Akku dann auch als "zusammengerutscht". Das zunehmende Ausrieseln der Gitter ist gleichzusetzen mit einem zunehmenden Kapazitätsverlust. Kurz vor dem Zusammenrutschen reicht die Kapazität meist schon nicht mehr zum Starten aus, zumindest nicht im Winter bei Kälte.
Temperaturabhängigkeit, "Wintermüdigkeit"
Je tiefer die Starterbatterie abgekühlt ist, desto geringer ist ihre Kapazität. Im Handel werden verschiedene Systeme angeboten, um die Abkühlung zu verhindern oder eine Erwärmung zu ermöglichen. Vor Eintritt des Winters sollte die Starterbatterie überprüft werden, ob die Kapazität noch für dann normalerweise mehr als einen Kältestart bei tiefen Minusgraden ausreicht.
Überladung
Ein weiteres Problem ist die Überladung der Batterie. Ein schlecht eingestellter Regler oder ein unkontrolliertes, oder zu starkes Ladegerät, das bei Nennspannung für die spezielle Batterie zu viel Ampere liefert, kann zu einer Überladung führen. Beim Laden wird dann zunächst das gesamte Bleisulfat wieder in Blei und Bleidioxid umgesetzt, da aber der Ladestrom weiter fließt, erscheint diese Überladung für die Batterie sehr aggressiv und beginnt nun das Blei des Gitters anzugreifen. Dabei wird das Gitter größer und die Festigkeit der eingepressten Stoffe lässt nach.
Schlammbildung, Gitterkorrosion, dann Transportgefahr
Sie fallen aus und bilden einen Bodensatz, der zum immer weiteren Abfallen der Kapazität und schließlich zum sog. Kurzschluss von einer oder mehreren Zellen führt. Diese Erscheinung wird in der Umgangsspreche als Verschlammung, korrekter als Gitterkorrosion der Zellen bezeichnet und tritt häufiger in Erscheinung als allgemein angenommen wird. Vor allem die wartungsfreien Batterien setzen auf intakte Regler, die den Ladestrom und die Ladespannung dem Ladezustand angleichen. Ein Zellenschluss kann demnach auch plötzlich entstehen, wenn eine bereits verschlammte Batterie abrupt oder nicht eben transportiert, oder weit aus ihrer normalen Lage bewegt oder schräg hingestellt wird. Das würde erklären, dass nur unbeweglich genutzte Batterien länger halten sollen.
Ladespannung, das "Gasen"
Die Ladespannung sollte bei etwa 15 bis 25 °C im Bereich von 13,8 bis 14,4 Volt liegen. Der Ladestrom sollte idealerweise ein Zehntel der Batteriekapazität betragen und bei Schnellladung ein Drittel der Kapazität nicht übersteigen. Liegt die Ladespannung über 2,4 Volt pro Zelle (bei 12-Volt Batterien sind das insgesamt max. 14,4 Volt), beginnt die Gitterkorrosion, die sich durch "Gasen" bemerkbar macht. Dies ist auch der Grund dafür, dass die Batterie zumindest nicht bis zur Voll-Ladung mit hohen Strömen geladen werden soll. Ein Schnellladegerät kann eine entladene Bleibatterie sehr schnell aufladen, allerdings nur bis zu ca. 70 %, dann sollte mit geringen Ladeströmen weitergeladen werden, um die Gitterkorrosion zu vermeiden.
Explosionsgefahr
Bei der Überladung kommt es zur "Gasung" der Starterbatterie. Die Gasung ist die elektrolytische_Zersetzung des Wassers, das in der verdünnten Schwefelsäure enthalten ist. Dabei entstehen Sauerstoff und Wasserstoff, die zusammen Knallgas bilden.
Flüssigkeitsstand, Sauberkeit
Es ist auch bei wartungsfreier Batterie immer von Nutzen, doch turnusmäßig den Flüssigkeitsstand zu kontrollieren oder vom Fachmann überprüfen zu lassen. Die Flüssigkeit sollte etwa 10 mm über dem oberen Plattenrand stehen. Wer diese Kontrolle selbst durchführt der bemerkt schnell, dass die Platten vor allem direkt nach einer Fahrt leicht gasen. Das ist ein Zeichen, dass Wasser zersetzt wird und damit verloren geht. Sinkt der Flüssigkeitsspiegel unter den Rand der Platte, dann sinkt die Kapazität der Batterie und die trockene Zone nimmt Schaden, der nicht mehr rückgängig zu machen ist. Scheinbar ist die Lösung des Problems einfach. Es müsste nur die Ladespannung herabgesetzt werden, dann wird die Batterie nicht bis zum Gasen aufgeladen. Ein Vorteil bei Herabsetzen der Ladespannung um auch nur ein zehntel Volt führt aber zu nicht voll geladener Batterie mit auf anderer Seite eklatanten Nachteilen. Es ist also ratsam, die Zellen auf ihren Flüssigkeitspegel zu überprüfen. Bei Bedarf wird mit destilliertem Wasser aufgefüllt, und zwar in jeder Zelle! Die Zellen dürfen nur mit dem Originalzellverschluss verschlossen werden. Vorsicht: Es muss sehr sauber gearbeitet werden, um jegliche Verschmutzung des Elektrolyten zu vermeiden!
Zu geringe Ladung
Weitaus häufiger als diese Fehler ist die zu geringe Ladung der Batterie. Leider wird die Batterie bei Nichtbenutzung ständig entladen, vor allem, wenn der Minuspol nicht abgeklemmt wurde. Dann steht fast die gesamte Elektroanlage des Fahrzeuges ständig unter Spannung und irgendwo gibt es immer kleine Verbraucher bzw. sogar Kriechströme, die zusätzlich zur Entladung führen.
Standschaden
Wird das Fahrzeug längere Zeit nicht benutzt, entlädt sich die Batterie ständig mehr. Dabei wird an beiden Platten Bleisulfat gebildet. Zunächst ist es wie die Ausgangsstoffe in pulverförmigem Zustand, aber es sind in Wahrheit winzige Kristalle. Diese haben eine unangenehme Eigenschaft: Sie wachsen zusammen. Die winzigen Kristalle haben eine große Oberfläche, die beim Laden sehr schnell eine Reaktion ermöglicht. Aber wenn die Batterie längere Zeit mit geringer Spannung ruht, bilden sich große und harte Kristalle. Diese haben einerseits eine vergleichsweise geringe Oberfläche, was gleichbedeutend mit geringerer Kapazität ist und sind andererseits fast nicht mehr durch Ladung zu zerstören. Das bedeutet einen gewaltigen Verlust an Kapazität. Man spricht in diesem Fall von "grobkristalliner Sulfatierung". Sie führt schließlich zum Totalausfall der Batterie. Es sollte also ständig auf eine vollgeladene Batterie Wert gelegt werden.
Vorbeugung
Im Handel gibt es verschiedene Geräte, die eine grobkristalline Sulfatierung verhindern sollen. Meist wird ein Kondensator mit großer Kapazität wiederholt aufgeladen, der bei Entladung plötzlich einen starken Stromstoß abgibt, alles in Form einer Sägezahnkurve. Weil dies mehrmals in der Minute geschieht, so soll ständig ein ? wenn auch sehr geringer ? Ladestrom das Zusammenwachsen der Kristalle verhindern. Insbesondere könne die Eigenresonanz der Sulfatkristalle zu deren Abbau bzw. Zerstörung verwendet werden. Eine gute Funktionsbeschreibung solcher Batterie-Desulfatierer, -Aktivatoren oder -Pulser beschreibt der Link: [http://www.rahmann-solarstrom.de/batteriezubehoer.htm].
Bei längerem Stillstand des Fahrzeuges ist es immer ratsam, den Minuspol der Batterie abzuklemmen und wenn möglich ein Erhaltungsladegarät anzuschließen. Dies ist ein Ladegerät mit sehr kleinem Ladestrom (etwa 50 bis 100 mA), bei zudem möglichst auf 14,4 Volt beschränkter Spannung. Dieser Strom gleicht die Selbstentladung aus, ohne Schaden anzurichten. Es gibt sogar Solargeräte, die durch Lichteinfall solche Erhaltungsladeströme geregelt erzeugen. Dabei muss die Batterie dann nicht einmal unbedingt abgeklemmt werden.
Eine südkoreanische Firma will durch Elektronik in der Batterie thermisch verhindern, dass sich durch bekannte Schichtbildung die schwere Schwefelsäure unten absetzt und oben dünnere Säure (?Wasser? genannt) schwimmt. Dieser Effekt bewirkt, dass viele Batterien nach kurzer Zeit bereits hohen Kapazitätverlust zeigen. Im Extremfall hätten normale Autobatterien dadurch nach wenigen Monaten nur noch etwa 50-60% der Nennkapazität.
Andere Akkus, Flugzeugeinsatz
In Relation zur Kapazität gesetzt ist der Bleiakku mit pro Gewicht geleisteter Energiespeicherung sehr schwer. Bei Flugzeugen (Ottomotor- oder Turbinenantrieb) werden daher als Akkus (abnehmend) Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, zunehmend Nickel-Metall-Hydrid-Akkumulatoren, Silber-Zink-Akkumulatoren und neuerdings auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Starterbatterie eingesetzt.
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, wieder 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. Sie soll bei 12-Volt-Akkus bei fast genau 14,4 Volt liegen (Grund und Zusammenhänge, s.o.). Dennoch wird gewöhnlich die Nennspannung der Batterie als Spannung des Bordnetzes angegeben. Bei Pkw sind üblicherweise 12 Volt, bei Lkw 24 Volt, bei älteren Pkws (z. B. älteren VW Käfern) waren und bei einigen Motorrädern sind auch noch 6 Volt verbreitet.
Kapazität
Die Angabe der Kapazität Q erfolgt in der Maßeinheit Amperestunden (Ah) für hier z.B. 20 Stunden Entladezeit T bei 27 °C (K20). Eine voll geladene Starterbatterie mit einer angegebenen Nennkapazität Q = 36 Ah kann dann bei 27 °C für 20 Stunden einen mittleren Strom von I = 1,8 Ampere liefern. Mit der Formel Q = I * T folgt bei gegebener Kapazität und gegebener Zeit der - bei etwas abnehmender Spannung auch abnehmende - mittlere Strom I = Q/T, hier also:
:
Ist ein Entladestrom bekannt, ergibt sich die maximal mögliche Zeit mit:
:
mit:
:
Bei höherer Stromstärke, niedrigerer Temperatur oder fortgeschrittener Alterung der Starterbatterie ist die tatsächliche Kapazität niedriger als die Nennkapazität.
Während einer Entladung mit gleichbleibender Stromstärke ändert sich die Geschwindigkeit, mit der die Spannung der Starterbatterie fällt. Der Aräometer zur Kapazitätsprüfung verwendet werden.
Ein anderes Problem, das zur Entladung der Starterbatterie führen kann, liegt in korrodierten Polkappen bzw. Anschlussklemmen begründet. Zu Kriechströmen kann es kommen, wenn die Oberfläche der Batterie oder die Pole verschmutzt sind (beispielsweise durch Umwelteinflüsse wie Schmutz und Feuchtigkeit). Korrodierte Anschlüsse führen zu einem Widerstand und beeinflussen das Startverhalten negativ. Außerdem verhindern sie, dass die Lichtmaschine die Batterie gleichmäßig laden kann; hier sollte darauf geachtet werden, dass die Anschlüsse sauber und die Kontaktflächen fest mit den Polen der Batterie verbunden sind. Schutz vor Korrosion bietet zudem die Verwendung von Polfett.
Sicherheitshinweise:'
* Beim Laden mit Batterieladegerät, Verschlussstopfen entfernen, Achtung: Funkenbildung vermeiden (nicht Rauchen) Explosionsgefahr, 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.
Rücknahmeverordnung für Starterbatterien
In der Verordnung über die Rücknahme und Entsorgung gebrauchter Batterien und Akkumulatoren, kurz Batterieverordnung (BattV), ist im Paragraph 6 festgelegt, dass Vertreiber von Starterbatterien, die diese an Endverbraucher abgeben, verpflichtet sind ein Pfand in Höhe von 7,50 Euro einschließlich Umsatzsteuer zu erheben, sofern beim Kauf keine Altbatterie zurückgegeben wird (Stand: 1. Januar 2002).
Bereits verbaute Batterien, beispielsweise in Neuwagen, unterliegen dieser Pfandverordnung nicht.
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). Die Leitungsquerschnitte können verrringert werden, da bei gleicher Leistung weniger Strom fließen muss. Der Spannungsabfall an Kontakten verringert sich bei höherer Spannung ebenfalls und die Störungssicherheit damit nimmt zu. Die Entwicklungsprojekte zur 42-V-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 übermäßigen Ausrüstung der Fahrzeuge mit immer neuen und erweiterten Komfortfunktionen (Sitzverstellung, Standklima, Scheinwerferheizung, Telefon, Multimedia-Systeme, Massagesitze etc.) hat den Energieverbrauch über die Stromversorgung (und über höheres Gewicht) kontinuierlich steigen lassen.
Sicherheitsrelevante Systeme müssen jedoch weiterhin ausreichend elektrische Energie bekommen, so dass der Ladezustand der Batterie permanent überwacht werden muss.
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 sowie allgemein bei allen Drive-by-Wire-Systemen, selbst wenn diese weniger sicherheitsrelevant sind (z. B. automatisches Einparken).
Siehe auch
Starthilfe
Themenliste_Fahrzeugtechnik
