Bordnetz überwachen: Messwerte, Sensoren, Anzeigen

Ein Bordnetz, das man nicht messen kann, kann man auch nicht auslegen. Dieser Fachbereich erklärt, welche Größen sich sinnvoll erfassen lassen, mit welchem Aufwand — und woran man erkennt, dass eine Anzeige nicht die Wirklichkeit zeigt. Sie können an jeder Stelle einsteigen.

Was sich sinnvoll messen lässt

Fünf Größen tragen im Bordnetz die Entscheidungen: Spannung, Strom, Ladezustand, Füllstand und Temperatur. Sie unterscheiden sich stark darin, wie einfach sie zu erfassen und wie belastbar sie sind.

Die Spannung ist trivial zu messen und gleichzeitig die am häufigsten überschätzte Größe. Sie sagt etwas über den Zustand aus, aber nur im Ruhezustand, nur bei bekannter Temperatur und nur bei Blei. Der Strom ist die ehrlichste Größe: Er zeigt in Echtzeit, was das Bordnetz tut. Der Ladezustand ist keine Messgröße, sondern ein Rechenergebnis — deshalb braucht er Pflege. Und der Füllstand ist mechanisch am aufwendigsten, weil jeder Tank anders gebaut ist.

Faustregel: Alles, was aus einer einzigen Spannung abgeleitet wird, ist eine Schätzung. Alles, was über einen Shunt läuft, ist eine Messung.

Strom messen: der Shunt

Ein Shunt ist ein kalibrierter Widerstand mit sehr kleinem Wert, der in den Strompfad eingesetzt wird. Der Spannungsabfall über ihm ist dem Strom proportional. Bei analogen Ausführungen wird dieser Abfall über dünne Messleitungen zum Anzeigegerät geführt; üblich sind Bauformen, die bei ihrem Nennstrom 50 oder 60 Millivolt abfallen lassen. Digitale Shunts werten direkt an der Messstelle aus und geben fertige Werte über ein Bussystem weiter — ohne störempfindliche Messleitungen und mit galvanisch getrenntem Anschluss, sodass sich auch eine separate Batteriegruppe überwachen lässt.

Entscheidend ist in beiden Fällen nicht der Shunt, sondern seine Position. Er muss so sitzen, dass jeder Strom durch ihn hindurchfließt: sowohl der, den die Verbraucher ziehen, als auch der, den Lichtmaschine, Ladegerät und Solarregler liefern. An den Minuspol der Batterie gehört deshalb genau eine Leitung — die zum Shunt. Alles andere kommt auf die Lastseite. Sitzt auch nur eine Masseleitung noch direkt an der Batterie, fehlt dieser Strom in der Bilanz dauerhaft, und der Zähler läuft langsam, aber unaufhaltsam falsch.

Die zweite Auslegungsfrage ist die untere Messgrenze. Wer den Ruhestrom des Bordnetzes finden will — also die Größe, die eine Batterie-Bank über Wochen leert —, braucht eine Auflösung bis in den Milliamperebereich. Geräte, die erst ab knapp einem Ampere auswerten, zeigen an dieser Stelle schlicht null.

HinweisBei analogen Shunts wird der Messkreis getrennt vom Lastkreis abgegriffen, an eigenen kleinen Klemmen. Diese Vierleitertechnik sorgt dafür, dass Übergangswiderstände der dicken Anschlüsse das Messergebnis nicht verfälschen. Wer den Messabgriff an die Lastschrauben legt, misst Kontaktwiderstand mit.

Vom Strom zum Ladezustand

Ein Batteriemonitor misst den Ladezustand nicht, er rechnet ihn aus. Er zählt fortlaufend die Amperestunden, die hinein- und herausfließen, und vergleicht das Ergebnis mit der eingestellten Kapazität. Das ist ein Integral über die Zeit — und jedes Integral sammelt Fehler.

Drei Einstellungen entscheiden über die Qualität dieser Rechnung. Die Kapazität muss der tatsächlich verbauten Batterie-Bank entsprechen, nicht der geplanten. Der Peukert-Exponent bildet ab, dass Bleibatterien bei hohem Strom weniger Kapazität liefern; er liegt bei Blei je nach Bauart etwa zwischen 1,1 und 1,25, bei LiFePO4 nahe 1,0. Und der Ladewirkungsgrad berücksichtigt, dass beim Laden mehr hineingeht, als später herauskommt — bei Blei rund 90 Prozent, bei LiFePO4 etwa 99.

Gegen die Drift hilft nur eines: Synchronisation. Erkennt der Monitor eine Vollladung — Ladespannung erreicht, Ladestrom unter einen kleinen Restwert gefallen, beides über eine Mindestzeit stabil —, setzt er den Zähler auf 100 Prozent. Eine Batterie-Bank, die wochenlang nicht voll wird, hat deshalb zwangsläufig eine ungenaue Anzeige. Das ist kein Gerätefehler.

Füllstände messen

Beim Tank entscheidet nicht die Elektronik, sondern die Bauform. Ein flacher, unregelmäßig geformter Tank verhält sich völlig anders als ein hoher zylindrischer, und jedes Messverfahren hat eine Schwäche, die genau dort auffällt.

Zwei Punkte werden regelmäßig übersehen: Ultraschallgeber haben direkt unter sich eine Totzone von einigen Zentimetern, in der sie nicht messen können — ein Abstandsring schafft hier Luft. Und Drucksonden müssen wissen, ob sie Wasser oder Diesel messen, weil Diesel deutlich leichter ist und dieselbe Füllhöhe einen geringeren Druck erzeugt.

Anzeige und Geber müssen zueinander passen. Im Markt sind mehrere Widerstandsbereiche verbreitet, und ein Geber am falschen Instrument zeigt zwar etwas an, aber nichts Richtiges. Sollen mehrere Tanks mit unterschiedlichen Verfahren auf ein Display, löst ein Interface das sauberer als der Versuch, überall denselben Gebertyp zu verbauen. Bei Fäkalientanks kommt eine rechtliche Anforderung hinzu: Der Dreiviertel-Füllstand muss überwacht und gemeldet werden.

Fehlerstrom: der Strom, der nicht zurückkommt

Alle bisher genannten Größen beschreiben ein Bordnetz, das funktioniert. Der Fehlerstrom beschreibt eines, das an einer Stelle undicht ist: Ein Teil des Stroms nimmt den Rückweg nicht über die Masseleitung, sondern über den Rumpf und das umgebende Wasser.

Im Bordnetz fällt das nicht auf — nichts schaltet ab, nichts wird warm. Auffallen tut es an den Anoden, die nach einer Saison verbraucht sind statt nach dreien, und später an Bauteilen, die keine Anode schützt. Der zugrunde liegende Vorgang ist elektrolytische Korrosion, und sie läuft um Größenordnungen schneller ab als die galvanische Korrosion, gegen die Anoden überhaupt ausgelegt sind.

Gemessen wird mit einem eigenen Shunt in der Verbindung zwischen Bordnetz-Minus und Rumpf. Wichtiger als der Momentanwert ist dabei der gespeicherte Spitzenwert: Die meisten Fehlerströme treten nur zeitweise auf — wenn ein bestimmter Verbraucher läuft, wenn Feuchtigkeit an eine Stelle gelangt. Wer nur hinsieht, sieht meist nichts.

WarnungFehlerstrom im Gleichstromnetz, galvanische Korrosion über den Landanschluss und ein Isolationsfehler im 230-V-Netz sind drei verschiedene Probleme mit drei verschiedenen Maßnahmen. Eine Fehlerstromüberwachung im DC-Bordnetz ersetzt weder den Schutzschalter im Wechselstromkreis noch einen galvanischen Isolator.

Alarme und Grenzwerte

Ein Alarm ist nur dann etwas wert, wenn er zu einer Handlung führt. Alles andere wird nach zwei Wochen weggedrückt und danach ignoriert. Deshalb gilt: wenige Schwellen, dafür richtig gesetzt.

Beim Ladezustand orientiert sich die Schwelle an der Technologie. Blei sollte nicht unter die Hälfte entladen werden, dort gehört die Warnung hin. LiFePO4 verträgt deutlich mehr, hier ist eine Schwelle bei etwa 20 Prozent sinnvoll — früh genug, um in Ruhe eine Ladequelle zu starten. Spannungsalarme sind die zweite Ebene, nicht die erste: Sie greifen, wenn der Zähler falsch liegt.

Wo eine Meldung allein nicht reicht, tritt eine Abschaltung an ihre Stelle. Ein Tiefentladeschutz trennt das Bordnetz oder den Gleichstromeingang eines Wechselrichters, bevor die Batterie-Bank Schaden nimmt, und schaltet nach dem Wiederaufladen selbsttätig zurück. Das ist die richtige Antwort überall dort, wo niemand auf einen Alarm reagieren kann.

WarnungEin Temperaturalarm an einer Batterie-Bank aus LiFePO4-Zellen ist kein Komfortmerkmal. Fällt die Zelltemperatur unter den vom Hersteller genannten Grenzwert, darf nicht mehr geladen werden — auch nicht aus Solar oder Lichtmaschine. Ohne Fühler und ohne Schwelle merkt das niemand, und der Schaden ist von außen nicht erkennbar.

Anzeige und Weitergabe der Werte

Wo die Werte erscheinen, ist eine Frage der Nutzung. Ein Rundinstrument an der Schalttafel ist im Vorbeigehen ablesbar und braucht keinen Startvorgang. Ein Touch-Monitor bündelt Batterien und Tanks auf einer Fläche und stellt Verläufe dar. Und wer die Werte auf dem Mobilgerät oder auf einem vorhandenen Display haben will, gibt sie über ein Bussystem weiter, statt eine zweite Anzeige zu verbauen.

Für die Auslegung ist wichtig, dass die Messstelle nur einmal existiert. Ein zweiter Shunt für ein zweites Anzeigegerät ist überflüssig und erzeugt zwei Wahrheiten, die auseinanderlaufen. Sinnvoller ist ein Messpunkt, dessen Werte weitergereicht werden — an einen Zweitmonitor, an ein vorhandenes Kartenplotter- oder Fahrzeugdisplay oder an ein Mobilgerät.

Der gleiche Gedanke gilt für zusätzliche Messstellen. Wer wissen will, was eine einzelne Ladequelle liefert oder ein einzelner großer Verbraucher zieht, setzt dort einen weiteren Messpunkt in dessen Minusleitung. Das ist kein zweiter Batteriemonitor, sondern eine zusätzliche Zeile in derselben Energiebilanz.

Typische Fehler

• Masse am falschen Punkt. Eine einzige Leitung, die noch direkt am Batterieminus hängt, macht die gesamte Amperestunden-Bilanz unbrauchbar.
• Kapazität falsch eingestellt. Der Monitor rechnet mit dem eingegebenen Wert, nicht mit dem verbauten. Nach jedem Batteriewechsel neu setzen.
• Nie synchronisiert. Ohne regelmäßige Vollladung driftet die Anzeige. Wer selten voll lädt, braucht dafür einen bewussten Termin.
• Spannung als Ladezustand gelesen. Bei Lithium ist die Entladekurve so flach, dass die Spannung praktisch keine Information trägt.
• Geber und Anzeige passen nicht zusammen. Unterschiedliche Widerstandsbereiche ergeben eine Anzeige, die plausibel aussieht und trotzdem falsch ist.
• Anoden vergrößert statt Fehlerstrom gemessen. Behandelt die Folge und lässt die Ursache weiterlaufen.
• Zu viele Alarme. Wer bei jedem Ereignis warnt, erzieht die Besatzung dazu, Warnungen zu übergehen.

Was die Norm verlangt

Für die Messtechnik selbst macht ISO 13297:2020 keine Vorgaben — sie regelt die elektrische Anlage, nicht die Anzeige. Relevant wird sie trotzdem an zwei Stellen: Der Shunt sitzt im Hauptstrompfad und muss entsprechend befestigt, geschützt und abgesichert sein wie jeder andere Punkt dieser Leitung. Und Messleitungen, die von der Batterie zur Anzeige führen, sind eigene Stromkreise und brauchen eine eigene, kleine Absicherung möglichst nah an der Abgriffstelle. Ein dünnes Messkabel ohne Sicherung, das an Batteriespannung liegt, ist eine Brandquelle.

Bei Fäkalientanks ist die Überwachung des Dreiviertel-Füllstands vorgeschrieben. Das ist kein Komfortthema, sondern eine Anforderung, die bei der Abnahme geprüft wird.