Batterien: Aufbau, Anschluss, Prüfung und Ladung

Grundlagen der Batterie

Ein Akkumulator (kurz Akku oder Batterie) dient der Speicherung elektrischer Energie zur späteren Verwendung.

Die Elemente, die eine Batterie bilden, sind im oberen Bild dargestellt. Die Flüssigkeit in der Batterie wird als Elektrolyt bezeichnet und besteht aus einer Mischung aus destilliertem Wasser und Schwefelsäure, typischerweise mit einem Verhältnis von ca. 34 % Schwefelsäure und dem Rest destilliertem Wasser. Der Elektrolytstand muss etwa einen Zoll (ca. 2,5 cm) über den Platten liegen.

Batterien verbinden

Um höhere Spannungen (V) oder eine größere Batteriekapazität (Amperestunden, Ah) zu erreichen, als sie mit handelsüblichen Einzelbatterien verfügbar sind, werden Batterien miteinander verbunden. Diese Verbindung kann erfolgen durch:

• Reihenschaltung
• Parallelschaltung
• Gemischte Schaltung

Reihenschaltung

Die Reihenschaltung hat die Hauptfunktion, die Spannungen der einzelnen Batterien zu addieren, während die Gesamtkapazität gleich der Kapazität der schwächsten Einzelbatterie bleibt. Ein wichtiger Punkt bei dieser Schaltung ist, dass die Batteriekapazität (Ah) für alle Batterien gleich sein muss. Wenn eine der Batterien eine geringere Kapazität hat, erreicht diese beim Laden die volle Ladung vor den anderen und wäre einer Überladung ausgesetzt, was zu Schäden führen kann. Ebenso würde sich die Batterie mit geringerer Kapazität bei der Entladung zuerst entladen, was zur Sulfatierung der Platten führen kann.

Parallelschaltung

Das Hauptmerkmal der Parallelschaltung ist, dass sich die Kapazitäten der Batterien addieren, während die Spannung unverändert bleibt (sie entspricht der Spannung einer Einzelbatterie). Ein wichtiger Punkt bei dieser Schaltung ist, dass alle Batterien die gleiche Nennspannung (V) an ihren Klemmen aufweisen müssen. Andernfalls würde sich die Batterie mit der höheren Klemmenspannung über die Batterie mit der niedrigeren Spannung entladen.

Gemischte Schaltung

Bei der gemischten Schaltung werden Batterien sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet, um die Vorteile beider Schaltungsarten zu kombinieren und sowohl die Spannung als auch die Kapazität zu erhöhen.

Ladezustand prüfen

Der Ladezustand einer Batterie kann auf verschiedene Weisen überprüft werden:

Mit einem Aräometer (Säureheber)

Zur Überprüfung des Ladezustands einer Blei-Säure-Batterie wird häufig ein Aräometer oder Säureheber verwendet (siehe Abbildung unten). Dieses besteht aus einem Glaszylinder mit einer offenen Erweiterung, durch die die zu messende Flüssigkeit mittels eines durch einen Gummiball erzeugten Vakuums angesaugt wird. Im Inneren befindet sich eine versiegelte, mit Luft gefüllte Glasampulle (Schwimmer), die mit Bleischrot tariert ist. Der Schwimmer ist mit einer Dichteskala (z. B. von 1 bis 1,30 g/cm³) versehen.

Die Messung erfolgt wie folgt: Das offene Ende wird in die Einfüllöffnung einer Batteriezelle eingeführt. Durch Zusammendrücken und Loslassen des Gummiballs wird eine ausreichende Menge Elektrolyt angesaugt, sodass der Schwimmer frei aufschwimmt. Die Dichte wird direkt auf der Skala am Flüssigkeitsspiegel abgelesen. Nach dem Ablesen wird die Flüssigkeit wieder vollständig in die Zelle zurückgegeben.

Es gibt auch Aräometer, bei denen die Skala statt Zahlen Farbmarkierungen aufweist.

Die Messung mit dem Aräometer sollte nicht unmittelbar nach dem Nachfüllen von destilliertem Wasser erfolgen, da man warten muss, bis sich dieses gründlich mit der Säure vermischt hat.

Eine gute Leistung der Batterie ist gegeben, wenn die Dichte des Elektrolyten zwischen 1,24 und 1,26 g/cm³ liegt. Bei voller Ladung sollte der Wert etwa 1,28 g/cm³ betragen. Ein Wert von 1,19 g/cm³ oder darunter zeigt an, dass die Batterie entladen ist.

Mit einem Voltmeter

Man kann den Ladezustand auch mit einem Voltmeter messen. Für eine genauere Aussage unter Belastung gibt es spezielle Batterietester oder Voltmeter, die einen definierten Widerstand zwischen den Messspitzen haben.

Dieses spezielle Voltmeter misst die Spannung, während gleichzeitig eine geringe Entladung der Batterie durch den Widerstand erfolgt. Die Messung sollte in kürzestmöglicher Zeit durchgeführt werden, um keine signifikante Entladung der Batterie zu verursachen.

Die am Voltmeter abgelesenen Werte können wie folgt interpretiert werden (Angaben pro Zelle, eine typische 12V-Batterie hat 6 Zellen):

• Ruhezustand (Batterie wurde in den letzten 15 Minuten nicht benutzt):
  • ca. 2,2 V pro Zelle: Batterie vollständig geladen
  • ca. 2,0 V pro Zelle: Batterie halb geladen
  • ca. 1,5 V pro Zelle: Batterie entladen
• Unter Last (während der Messung mit Belastungswiderstand oder während einer leichten Entladung):
  • ca. 1,7 V pro Zelle: Batterie vollständig geladen
  • ca. 1,5 V pro Zelle: Batterie halb geladen
  • ca. 1,2 V pro Zelle: Batterie entladen

Beispiel: 2,2 V/Zelle x 6 Zellen = 13,2 V. Diese Spannung würde man an einer vollständig geladenen 12V-Batterie messen, die länger als 15 Minuten nicht benutzt wurde.

Batterie laden

Vor dem Laden einer Batterie sollte diese äußerlich gereinigt und der Elektrolytstand überprüft und ggf. korrigiert werden (nur destilliertes Wasser nachfüllen!). Die Verschlussstopfen der Zellen müssen während des Ladevorgangs geöffnet oder zumindest gelockert sein, um entstehende Gase entweichen zu lassen. Beim Anschließen der Batterie an das Ladegerät muss unbedingt die Polarität beachtet werden (Plus an Plus, Minus an Minus).

Das Batterieladegerät (siehe Abbildung) sollte so eingestellt werden, dass der Ladestrom etwa 10 % der Nennkapazität der Batterie beträgt. Die Nennkapazität wird vom Hersteller in Amperestunden (Ah) angegeben. Beispiel: Für eine Batterie mit 55 Ah sollte der Ladestrom auf etwa 5,5 A eingestellt werden. Während des Ladevorgangs sollte die Temperatur des Elektrolyten überwacht werden; sie sollte 45 °C nicht überschreiten. Steigt die Temperatur in einer der mittleren Zellen auf 45 °C, sollte der Ladevorgang unterbrochen und erst nach Abkühlung fortgesetzt werden.

Beim Abklemmen der Batteriekabel sollte immer zuerst das Massekabel (Minuspol) und dann das Pluskabel entfernt werden. Beim Anschließen der Batterie wird zuerst das Pluskabel und dann das Massekabel (Minuspol) angeschlossen.