Batteriemonitor kalibrieren: Kapazität, Peukert, Synchronisation

Ein Batteriemonitor misst den Ladezustand nicht. Er zählt Amperestunden und rechnet daraus einen Prozentwert. Damit dieser Wert stimmt, müssen vier Einstellungen zur verbauten Batterie-Bank passen und der Zähler muss regelmäßig einen bekannten Bezugspunkt bekommen. Dieser Beitrag geht beides in der richtigen Reihenfolge durch.

Warum die Anzeige gepflegt werden muss

Der Monitor bildet ein Integral: Er addiert jede eingeflossene und subtrahiert jede entnommene Amperestunde. Ein Integral hat keinen absoluten Bezug — es kennt nur Veränderungen. Jeder kleine Messfehler, jeder Strom, der am Shunt vorbeifließt, und jede Abweichung der Rechenparameter summieren sich deshalb auf, statt sich auszugleichen.

Der Bezugspunkt ist die Vollladung. Erkennt der Monitor sie, setzt er den Zähler auf 100 Prozent und beginnt von vorn. Alles, was zwischen zwei Vollladungen passiert, ist gerechnet.

Schritt 1: Kapazität

Einzutragen ist die Nennkapazität der gesamten Batterie-Bank in Amperestunden, nicht die einer einzelnen Batterie. Drei parallele 100-Ah-Batterien ergeben 300 Ah. Bei Reihenschaltung auf höhere Spannung bleibt die Kapazität dagegen die einer Batterie.

Zwei Punkte werden dabei häufig falsch gemacht. Erstens wird die nutzbare Kapazität eingetragen statt der Nennkapazität — der Monitor rechnet aber mit dem Nennwert und leitet die Entladetiefe selbst ab. Zweitens bleibt der Wert nach einem Batteriewechsel stehen. Eine gealterte Batterie-Bank hat real weniger Kapazität; das ist ein Grund, den Wert nach einigen Jahren anhand eines Kapazitätstests nach unten zu korrigieren, aber kein Grund, ihn beliebig zu schätzen.

Schritt 2: Peukert-Exponent

Bleibatterien geben bei hohem Entladestrom weniger Kapazität ab als bei kleinem. Der Peukert-Exponent bildet diesen Zusammenhang ab. Je größer der Wert, desto stärker die Abhängigkeit vom Strom.

Richtwerte für Bordanwendungen. Nennt der Hersteller einen eigenen Wert oder zwei Kapazitätsangaben bei unterschiedlichen Entladezeiten, hat diese Angabe Vorrang — aus zwei solchen Wertepaaren lässt sich der Exponent auch direkt berechnen.

Wer unsicher ist, lässt bei Blei den Vorgabewert des Geräts stehen und trägt bei LiFePO4 einen Wert nahe 1,0 ein. Ein zu hoher Exponent bei einer Lithiumbatterie-Bank lässt die Anzeige unter Last einbrechen und sich danach scheinbar erholen — ein Verhalten, das regelmäßig für einen Batteriefehler gehalten wird.

Schritt 3: Ladewirkungsgrad

Beim Laden geht mehr Ladung hinein, als später wieder herauskommt. Die Differenz wird in Wärme und, bei Blei, in Nebenreaktionen umgesetzt. Der Ladewirkungsgrad bildet das ab: Bei Blei liegt er in der Größenordnung von 90 Prozent, bei LiFePO4 nahe 99.

Steht dieser Wert zu hoch, meldet der Monitor die Batterie-Bank zu früh als voll und die Anzeige wandert im Lauf der Wochen nach oben. Steht er zu niedrig, wirkt die Batterie-Bank dauerhaft leerer, als sie ist.

Schritt 4: Synchronisationsschwellen

Damit der Monitor eine Vollladung erkennt, müssen drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein: Die Spannung liegt über einer eingestellten Ladeschlussspannung, der Ladestrom ist unter einen kleinen Restwert gefallen, und beides hält eine Mindestzeit an.

Die Ladeschlussspannung muss knapp unter dem liegen, was das Ladegerät tatsächlich erreicht — sonst wird sie nie überschritten und es findet nie eine Synchronisation statt. Der Reststrom wird üblicherweise als Anteil der Kapazität angegeben und liegt im Bereich weniger Prozent; bei einer 300-Ah-Batterie-Bank sind das größenordnungsmäßig einige Ampere. Die Mindestzeit verhindert, dass ein kurzer Spannungsspitzenwert als Vollladung durchgeht.

HinweisBei LiFePO4 ist diese Erkennung heikler als bei Blei, weil der Ladestrom bis kurz vor Schluss hoch bleibt und dann sehr schnell abfällt. Wer hier zu enge Fenster setzt, bekommt tagelang keine Synchronisation. Im Zweifel die Ladeschlussspannung eher etwas niedriger und die Mindestzeit eher kurz ansetzen.

Kontrolle im Betrieb

Die Kalibrierung ist erst bestätigt, wenn sich die Anzeige über mehrere Zyklen konsistent verhält. Zwei Beobachtungen genügen dafür.

Erstens: Nach einer vollständigen Ladung muss der Monitor von selbst auf 100 Prozent springen. Passiert das nicht, stimmen die Synchronisationsschwellen nicht. Zweitens: Nach mehreren Zyklen darf die Anzeige nicht systematisch in eine Richtung wandern. Wandert sie nach oben, ist der Ladewirkungsgrad zu hoch eingestellt oder ein Verbraucher fließt am Shunt vorbei; wandert sie nach unten, ist die Kapazität zu groß angesetzt.

Was der Monitor nicht leisten kann

Er kennt den Alterungszustand der Batterie-Bank nicht. Eine Batterie, die nur noch 70 Prozent ihrer Nennkapazität liefert, zeigt trotzdem 100 Prozent an, wenn sie voll ist — nur ist die absolute Menge dahinter kleiner. Wer den tatsächlichen Zustand wissen will, entlädt die Batterie-Bank kontrolliert mit bekannter Last und vergleicht die entnommenen Amperestunden mit dem Nennwert. Das ist der einzige belastbare Test, und er gehört alle paar Jahre gemacht.