Batterietrennrelais

Bis etwa 1996 wurde bei einigen Caravanmodellen als einfachste Schaltungsvariante das Batterietrennrelais direkt an den Zündanlassschalter angeschlossen und gegen den Anlasser elektrisch verriegelt. Dies hatte zur Folge, dass die Batterien immer dann Parallel geschaltet wurden, wenn die Zündung eingeschaltet war.

Einfaches Batterietrennrelais mit Verriegelung gegen den Anlasser

Als Erweiterung kann eine weitere Verriegelung gegen den Anlasser ausgeführt werden. Dazu wird die Relaisspule statt direkt an Masse an die Klemme 50 des Anlassers angeschlossen. Das Relais zieht dann erst an, wenn der Zündanlassschalter wieder in der Stellung „Zündung“ steht. Durch diese Maßnahmen wird verhindert, dass ein Teil des Anlasserstromes über das Trennrelais fließt. Außerdem wird durch diese Schaltung die Selbsterregung der Lichtmaschine verbessert, weil über die Spule des Batterietrennrelais beim Startvorgang ein zusätzliches Pluspotential vom Anlasserrelais zur Erregung der Lichtmaschine weitergeleitet wird. Um das Relais auch manuell abschalten zu können, sollte ein zusätzlicher Schalter mit Einschaltkontrollleuchten eingebaut werden. Bei diesem Trennrelaistyp ist eine Eigenstarthilfe nicht vorgesehen.[17]

Bei einer anderen Schaltungsvariante werden einfache Batterietrennrelais zwischen dem Lichtmaschinenregleranschluss D+ und Masse angeschlossen. Dadurch ist gewährleistet, dass das Relais erst durchschaltet, wenn die Lichtmaschine sich dreht und die mittlere Lichtmaschinenspannung über der Akkuspannung liegt. Nach dem Abstellen des Motors sinkt die vom Generator abgegebene Spannung augenblicklich, so dass das Relais sofort abschaltet und den Schaltkontakt öffnet. Somit sind dann beide Batterien wieder voneinander getrennt.

Werden einfache Batterietrennrelais direkt mit dem „D+“-Anschluss verbunden, empfiehlt sich eine Vorrichtung zur Dämpfung von möglicher Spannungsspitzen durch Selbstinduktion bei Abschaltung der Magnetspule des Trennrelais. Dadurch werden die Erregerdioden der Lichtmaschine vor Überspannung geschützt.

Elektronisches Batterietrennrelais mit Eigenstarthilfe über Zeittaster

Bei elektronischen Batterietrennrelais ist die Verschaltung wesentlich einfacher. Die Relaisspule wird zwischen Zündanlassschalter (Kontakt-Zündung) und Fahrzeugmasse geschaltet. Der Relaiskontakt wird zwischen beide Batteriepluspole geschaltet. Das Relais ist mit einer Elektronik ausgestattet, die die Höhe der Bordnetzspannung überwacht und das Relais dementsprechend schaltet. Die Relais schalten bei Erreichen einer bestimmten Spannung, der sogenannten Zuschaltschwelle, das Relais an und bei Erreichen der sogenannten Abschaltschwelle das Relais aus.[18] Die Werte sind je nach Hersteller leicht unterschiedlich.

Bei 12-Volt-Batterietrennrelais liegt die:

• Zuschaltschwelle zwischen 13,4 und 13,6 Volt
• Abschaltschwelle zwischen 12,7 und 12,6 Volt

Bei 24-Volt-Batterietrennrelais liegt die:

• Zuschaltschwelle zwischen 27 und 27,2 Volt
• Abschaltschwelle zwischen 25,4 und 25,2 Volt

Schutzbeschaltung – einfaches Batterietrennrelais

Durch das automatische Zusammenschalten und Trennen der Batterieblöcke wird die Zweitbatterie immer dann geladen, wenn die Lichtmaschine genügend Energie liefert. Elektronische Batterietrennrelais erkennen über die Elektronik eine Überlastung und schalten das Relais rechtzeitig ab. Einige Relais sind mit einer Zusatzfunktion zur sogenannten Eigenstarthilfe ausgerüstet. Über einen Zeittaster können dadurch die beiden Batterien vorübergehend parallel zusammen geschaltet werden. Elektronische Batterietrennrelais sind auf Grund ihrer Schaltweise insbesondere dann vorzuziehen, wenn der „D+“-Anschluss der Lichtmaschine schlecht erreichbar ist.[19]

Während elektronische Batterietrennrelais über eine elektronische Ansteuerung eines mechanischen Relais verfügen, kommen vollelektronische Batterietrennrelais ohne mechanische Relais aus. Sie schalten den Strom verschleißfrei über Leistungshalbleiter und erreichen dadurch eine deutlich höhere Anzahl von Schaltzyklen.[20]

Die meisten Batterietrennrelais werden mit einer Schutzbeschaltung ausgerüstet um Spannungsspitzen, die die Bordelektronik beschädigen könnten, zu eliminieren.[1] Dazu ist herstellerseitig parallel zur Relaisspule entweder ein Widerstand oder eine schnell schaltende Diode angeschlossen.[21] Bei Relais mit Diode ist die Polarität des Relais gekennzeichnet. Einige Hersteller schalten zwecks Verpolungsschutz eine Diode in Reihe zur Relaisspule. Bei einigen Relaistypen ist, zur Funkentstörung, parallel zu den Relaiskontakten ein RC-Glied geschaltet.[22]

Der nachträgliche Einbau von zwei Sicherungen ist eine einfachere Variante, die allerdings auch ihre Tücken aufweist. Zum einen sind Kraftfahrzeugsicherungen in der Stromstärke nur begrenzt erhältlich. Zum anderen wird die Zweitbatterie nicht aufgeladen, wenn eine der beiden Sicherungen auslöst. Sicherungen sind zudem in genormten Abstufungen erhältlich, die nicht immer mit dem Schalternennstrom der Relaiskontakte übereinstimmen.

Beim Einbau eines Vorwiderstandes in Reihe zum Relaiskontakt ist die auftretende Wärmebelastung nicht vernachlässigbar. Die auftretende Verlustleistung ergibt sich mit den ineinander eingesetzten Formel zum ohmschen Gesetz und der Formel zur elektrischen Leistung:

${\displaystyle P_{\text{v}}=I^{2}\cdot R}$

mit

${\displaystyle P_{\text{v}}}$: Verlustleistung des Vorwiderstandes in Watt (Baugröße)

${\displaystyle I}$: maximale Ladestromstärke in Ampere

${\displaystyle R}$: gewählte Größe des Strombegrenzungswiderstandes.

Der Widerstandswert selbst ist typischerweise klein, ca. 50 mΩ, der Strom jedoch mit bis zu einigen 100 Ampere groß.

Der Ladestrom ist von der Klemmenspannung der Akkumulatoren abhängig. Nahe der Ladeendspannung nimmt dieser immer weiter ab und geht letztlich gegen null. Direkt proportional zum Ladestrom ist die auftretende Spannungsdifferenz am Vorwiderstand, welcher zu Messzwecken herangezogen werden kann.

Am praktischsten erfolgt daher die Dimensionierung der Vorwiderstandes mit Hilfe des maximal zulässigen Stromes des Relais sowie der im ungünstigsten Fall eintretenden Differenz der Spannungsniveaus der einzelnen Akkumulatoren.

handelsübliches Kfz-Relais mit 30 Ampere Kontaktstrombelastbarkeit

Ein handelsübliches Trennrelais ist für 70 Ampere Kontaktstrombelastung ausgelegt. Die Lichtmaschine hat die Bordbatterie mit 14,4 Volt voll geladen. Die Zweitbatterie ist dagegen mit 12 Volt komplett entladen.

Es gilt demnach, bei 2,4 Volt Spannungsdifferenz den Strom auf 70 Ampere zu begrenzen.

Anders formuliert: Es soll bei 2,4 Volt ein Strom von 70 Ampere durch den Widerstand fließen. Der zu diesem Zweck erforderliche Widerstandswert ergibt sich direkt gemäß dem ohmschen Gesetz:

${\displaystyle R_{\text{erf}}={\frac {\Delta {U}}{I}}={\frac {2{,}4\,{\text{V}}}{70\,{\text{A}}}}=0{,}034\,{\text{Ohm}}}$

Dieser Wert des Gesamtwiderstandes beinhaltet alle Teilwiderstandswerte wie z. B. Kontaktwiderstände, Leitungswiderstände, Übergangswiderstände und nicht zuletzt die Innenwiderstände der Akkumulatoren. Insbesondere Kontakt- und Übergangswiderstände sind schwer erfassbar, da diese zeitlich nicht konstant sind.

Eine Vernachlässigung der nur schwierig zu ermittelnden Teilwiderstände ist der Sicherheit dienlich, da die Summe aller Teilwiderstände einschließlich der Vorwiderstandes letztlich die Höhe des Stromflusses verkleinert.

Der Stromfluss durch den Widerstand bewirkt einen proportionalen Spannungsabfall und damit eine Verlustleistung. Um Brandgefahr durch Überhitzung zu vermeiden, ist die Wärme abzuführen. Die abzuführende elektrische Leistung beträgt:

${\displaystyle P_{v}=U_{\text{Vorwiderstand}}\cdot I_{\text{Vorwiderstand}}=2{,}4{\text{ Volt}}\cdot 70{\text{ Ampere}}=168{\text{ Watt}}}$

Damit ergibt sich die erforderliche Baugröße des Widerstandes.

Weder der Widerstandswert noch die Leistungsklasse sind handelsüblich. Er kann jedoch durch geeignete Parallel- und Reihenschaltung einzelner Hochlastwiderstände mit beispielsweise 11 Watt Verlustleistung des Einzelwiderstandes realisiert werden.

Handelsüblich sind beispielsweise Draht-Hochlastwiderstände im Keramikgehäuse mit 11 Watt zulässiger Verlustleistung und einem Widerstandswert von 0,68 Ohm. Durch elektrisches Parallelschalten von 20 Einzelwiderständen wird zum einen der gewünschte Widerstandswert von 0,034 Ohm getroffen und die mögliche Gesamt-Verlustleistung mit 220 Watt übertrifft die erforderliche.

Allerdings sind mittlerweile Hochlastwiderstände im Metallgehäuse bis hin zu 100 W Belastbarkeit handelsüblich. Eine Neuberechnung der Anordnung ist zwar vonnöten, die Verwendung von derlei Widerständen ergibt aber eine weitaus kompaktere Anordnung.

Denkbar ist auch ein Widerstand aus einer genügend langen Kupferleitung. Der elektrische Leitwert von Kupfer beträgt 58 Siemens oder als Kehrwert 0,01742 Ohm je Meter Kabellänge und mm² Leiterquerschnitt. Bei einem Leiterquerschnitt von 6 mm² wird eine 12 Meter lange Leitung erforderlich, die mit Abstand luftig zu verlegen ist, um Überhitzung durch Wärmestau ähnlich einer Kabeltrommel wegen der nicht ausreichend abgeführten Verlustleistung zu vermeiden.

Alternativ kann man natürlich auch handelsübliche Halogenleuchtmittel verwenden und anstelle der o. g. Hochlastwiderstände verwenden. Es gibt sie in verschiedenen Leistungsabstufungen z. B. 10 W, 20 W, 50 W, 100 W und vielen mehr. Der Vorteil liegt in der Signalisierung des Stromflusses (die Lampe leuchtet wenn Strom fließt) und in der geringen räumlichen Ausdehnung im Vergleich zu Hochlastwiderständen. Dass es sich bei Leuchtmitteln um Kaltleiter handelt, kann hier durchaus zum Vorteil gereichen, denn, wenn der Ladestrom sinkt, reduziert sich gleichermaßen die Helligkeit und damit die Wendeltemperatur. Dies hat wiederum zur Folge, dass der Widerstand des Wolframwendels sinkt und sich der Spannungsabfall reduziert. Die Batterie kann voller geladen werden. Auch hier gilt es, weitergehende Berechnungen anzustellen, um die Schaltung vernünftig zu dimensionieren.

Wegen der Strombegrenzung erhält die Zweitbatterie zunächst nicht die volle Ladespannung. Abhängig von der Ladestromstärke fällt bei oben genanntem Beispiel über dem Strombegrenzungswiderstand je Ampere Ladestrom 34 Millivolt ab. Die Zweitbatterie benötigt eine längere Zeit, um die Ladeschlussspannung zu erreichen. Wird jedoch der Zweitbatterie durch einen angeschlossenen Verbraucher dauernd Strom entnommen, kann die Ladespannung gemäß dem ohmschen Gesetz das Niveau der Erstbatterie nie erreichen:

${\displaystyle \Delta U=R_{\text{Vorwiderstand}}\cdot I_{\text{Verbraucher}}}$

Dies stellt die unkomplizierteste Variante (kein Spannungsverlust, bei Sicherungsausfall) dar. Allerdings sind leistungsstärkere Relais auch teurer als leistungsschwächere.[19] Der Worst Case kann passieren, wenn eine der Batterie im Ladungsverbund am Ende ihrer Lebensdauer ist. Dann kommt es durch den abgelagerten Bleischlamm zu Zellenkurzschlüssen, welche wiederum zu geringen Widerständen innerhalb der Batterie führen. Dieses wiederum führt dazu, dass beim Verbinden der Batterien ein höherer Ausgleichsstrom (teilweise >> 100 Ampere) über die Kontakte des Batterietrennrelais fließt. Um einer möglichen Brandgefahr auch durch Kurzschluss infolge von Isolationsfehlern zwischen den Batterien zu vermeiden, muss mit höchstens 30 cm Leitungslänge zu jeder Batterie eine dem Stromleitvermögen des Relais oder des Leiterquerschnitt angepasst dimensionierte Sicherung in der Verbindungsleitung vorgesehen werden. So bleibt auch der Versicherungsschutz gewährleistet. Damit wird auch bei Vernachlässigung der erforderlichen, regelmäßigen Wartung (z. B. Überprüfung der Säuredichte) und Pflege der Batterie vorgebeugt. Der rechtzeitige Austausch von altersschwachen Batterien ist sehr empfehlenswert.[23]