Starterbatterie
Die Starterbatterie, beim Kraftfahrzeug auch als Autobatterie oder als Fahrzeugbatterie bezeichnet, ist ein Akkumulator, der unter anderem die elektrische Energie für den Anlasser eines Verbrennungsmotors liefert, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Stromerzeugungsaggregaten oder der Gasturbine eines Flugzeuges. Als Starterbatterie werden häufig Bleiakkumulatoren eingesetzt.
Ein Akkumulator, welcher nicht zum Starten, sondern als Energiequelle für den Fahrantrieb eines Elektrofahrzeugs dient, beispielsweise in Elektroautos oder Hybridfahrzeugen, wird als Antriebs- oder Traktionsbatterie bezeichnet. Sein Aufbau unterscheidet sich von der Starterbatterie.
Um die zum Antrieb erforderliche Batterie vor ungewollter Entladung zu schützen, besitzen Fahrzeuge, die mit Verbrauchern ausgestattet sind, die unabhängig vom Fahrbetrieb verwendet werden, häufig noch einen weiteren Akkumulator zur Versorgung des Bordnetzes. Wohnmobile enthalten in der Regel einen zusätzlichen Akkumulator für die Versorgung des Wohnbereiches.
Batterien in Kraftfahrzeugen
Die Starterbatterie erfüllt im Kraftfahrzeug verschiedenen Aufgaben:
- Sie versorgt relevante Baugruppen vor dem Startvorgang mit Spannung (Steuergeräte, Einspritzanlage, Zündspule, Vorglühanlage).
- Sie versorgt den Anlassmotor (Anlasser) mit Energie.
- Sie versorgt auch bei stehendem Motor die Notbeleuchtung (Licht, Warnblinkanlage) des Fahrzeugs.
- Sie glättet die Lichtmaschinenspannung und mindert Spannungsspitzen im regulären Fahrbetrieb.
- Sie versorgt im Standbetrieb des Fahrzeugs diverse Abnehmer mit Energie (Uhr, Radio, Steuergerät).
Sobald der Motor läuft, übernimmt die Lichtmaschine die Spannungsversorgung der Anlage und lädt die Starterbatterie wieder auf. Nach den Verbrauchern Starter, Licht und Zündung (engl. ignition) werden Starterbatterien auch mit der englischen Abkürzung als SLI-Batterie bezeichnet.
Das Anlassen eines Verbrennungsmotors durch den elektrischen Anlassmotor erfordert kurzzeitig Stromstärken von mehreren 100 bis zu 1000 Ampere. Der Pkw-Startvorgang dauert bei gut gewarteten Motoren zwei bis fünfzehn Sekunden und bis einhundert Sekunden bei älteren Fahrzeugen. Dabei verliert die Batterie bis etwa 0,2 Ah beim Benziner (bei zwei Sekunden Startzeit) und bis etwa 0,3 – 0,4 Ah beim Diesel (7 Sekunden Startzeit mit Vorglühen). Für die Nachladung des dadurch entstandenen Aufladungsverlustes der Batterie von 0,2 Ah werden etwa 3–5 Minuten (Fahrzeit) benötigt. Die Starterbatterie muss die Stromstärke auch bei niedrigen winterlichen Temperaturen liefern können. Da die elektrische Spannung während des Startvorgangs nicht zu stark abfallen darf, weisen Starterbatterien einen geringen elektrischen Innenwiderstand auf.
Pkw-Starterbatterien und Starterbatterien für LKWs und anderen Nutzfahrzeugen wie Bussen, Bau- und Landmaschinen unterscheiden sich in ihrer Kapazität und damit auch in Gewicht und Abmessungen. Lkw-Batterien sind nach EN-50342-4 genormt: Die maximalen Abmessungen (H × B × L) betragen 240 mm × 273 mm × 518 mm und die Kapazität beträgt bis zu 235 Ah.
Bei Lkw beträgt die Spannung des Bordnetzes 24 V statt 12 V. Deshalb werden hier zwei gleichartige 12-Volt-Akkumulatoren in Reihe geschaltet verwendet.
In PKW mit Start-Stopp-Automatik werden übliche Starterbatterien schnell überfordert, da die deutlich häufigeren Anlassvorgänge eine erhöhte Zyklenfestigkeit der Akkumulatoren erfordern[1]. Für reinen Start-Stopp-Betrieb (ohne Rekuperation) wurden EFB- (Enhanced Flooded Battery) Batterien entwickelt, die in herkömmlicher, nasser Ausführung über mehr Blei verfügen, um den höheren Energiebedarf decken zu können und Vliesmatten zur Stabilisierung der aktiven Masse (Speichermasse) der Plus-Elektrode enthalten.
Auch die seit etwa 50 Jahren im Bereitschaftsbetrieb und für Kleinantriebe eingesetzten VRLA- bzw. AGM (Absorbent-Glass-Mat)-Akkumulatoren wurden zu Starterbatterien weiter entwickelt. Diese werden für Fahrzeuge mit Start-Stopp-System und Rekuperationstechnik verwendet. Bei diesen wird beim Bremsen ein Generator angetrieben, der den Akkumulator auflädt. AGM-Akkumulatoren erlauben eine bis zu viermal größere Anzahl von Ladezyklen im Vergleich zu herkömmlichen Batterien. Auch der bauartbedingt geringe Innenwiderstand begünstigt eine schnelle Reaktion zwischen der Säure und den Platten, wodurch schnell hohe Energiemengen aufgenommen werden können. Die teuren AGM-Akkumulatoren sind anfällig gegenüber erhöhten Temperaturen, weshalb sie oft nicht im Motorraum, sondern im Innenraum bzw. im Kofferraum verbaut werden.
Akkumulatoren, die andere Redoxsysteme benutzen, z. B. eine Lithium-Technologie, können sich aus Kostengründen nur schwer gegen Bleiakkumulatoren durchsetzen. Diese Akkumulatoren benötigen komplizierte Lade- und Schutzschaltungen. Die Gewichtsersparnis ist zwar sehr hoch, aber der Einsatz in der Großserie ist preislich nicht zu rechtfertigen. Einzig Porsche bietet gegen Aufpreis LiFePO4-Akkumulatoren als Starterbatterie an. Auch im Ersatzgeschäft sind LiFePO4-Starterbatterien für PKW auf dem Markt, die aber das 4–5fache einer vergleichbaren Blei-Starterbatterie kosten. In der Motorroller- und Motorrad-Sparte gibt es inzwischen ein umfangreiches Angebot an LiFePO4-Starterbatterien.
Batterien in Flugzeugen
Im Vergleich zu anderen Akkutechnologien ist der preisgünstige Bleiakkumulator vergleichsweise schwer. Bei Flugzeugen werden als Starterbatterien zum Anlassen von Kolbenmotoren bzw. Hilfsturbinen daher Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, zunehmend auch Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Silber-Zink-Akkumulatoren und Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt.
Aufbau und Handhabung
Starterbatterien enthalten eine Reihenschaltung von Bleiakkumulator-Zellen, die jeweils eine Nennspannung von 2 V aufweisen. Um eine Nennspannung von 6 V bzw. 12 V zu erreichen, werden drei bzw. sechs Zellen hintereinander geschaltet.
Innerer Aufbau
Je nach Beschaffenheit des Elektrolyts unterscheidet man bei Starterbatterien:
- Nasszellen mit frei flüssiger Säure als Standardbatterie, Hochstrombatterie und EFB (Enhanced Flooded Battery).
- In Vlies gebundener Säure als AGM-Batterie (Absorbent Glass Mat).
Gewöhnliche Gelakkumulatoren (VRLA-Akkumulatoren) werden auf Grund ihres höheren Innenwiderstandes nicht als Starterbatterien eingesetzt.
Nach der Legierung des Gittermetalls unterscheidet man bei Bleibatterien:
- Blei-Antimon-Batterie (PbSb).
- Blei-Hybrid-Batterie (PbSb/Ca).
- Blei-Calcium-Batterie (PbCa).
Das Gitter der Platte ist für die Stromleitung im Lade- und Entladevorgang zuständig. Es darf deshalb nicht an der chemischen Bleiumwandlung der Speichermasse teilnehmen und erhält dafür eine Beimengung des spröden Halbmetalls Antimon. Die seit über 100 Jahren verwendete Legierung macht das Gitter hart und widerstandsfähig gegen die chemischen Prozesse in der Batterie. Als Nachteil der Antimonlegierung sind eine stärkere Selbstentladung und ein erhöhter Wasserverbrauch zu nennen. Durch Reduzierung des Antimonanteils von früher über 10 % auf nur noch wenige Prozente konnten die Nachteile in den letzten Jahrzehnten zwar minimiert werden, aber einen wirklichen Durchbruch brachte erst der Einsatz von Calcium und teilweise Silber, statt des Antimons.
Die Blei-Antimonbatterie ist die traditionelle Starterbatterie, wie sie seit etwa 100 Jahren verwendet wird. Die positiven und negativen Gitterplatten bestehen aus einer Blei-Antimon-Legierung zur Härtung des stromleitenden Plattengitters. Obwohl sie auch als wartungsfreie Batterie produziert werden kann, ließ die hohe Selbstentladung von 0,5–2 % ihrer Kapazität pro Tag sie nahezu vollständig im Starterbatteriesektor vom Markt verschwinden. Lediglich in der LKW-Sparte werden noch geringe Stückzahlen für den LKW-Nahverkehr gefertigt. Großen Einsatz findet die Blei-Antimonbatterie als Antriebs- und Traktionsbatterie. Sie zeigt eine gute Zyklenfestigkeit, gute Ladungsaufnahme und ist deshalb nicht so anfällig für die gefährliche Säureschichtung. Ihre Standzeit beträgt etwa 3-4 Monate.
Die Blei-Hybridbatterie enthält eine Antimon legierte Plusplatte und eine Calcium legierte Minusplatte, was zu gemischten Eigenschaften führt.
Die Blei-Calciumbatterie enthält positive und negative Gitterplatten aus einer Blei-Calcium-(Silber)-Legierung. Sie hat sich vollständig als Starterbatterie etabliert, was ausschließlich ihrer sehr geringen Selbstentladung von ca. 0,08 % pro Tag zu schulden ist (Standzeit 12–15 Monate). Daraus profitieren hauptsächlich die Batteriehersteller und der Handel. Da die frühere Blei-Antimon-Batterie nur eine Standzeit von 3-4 Monate hatte, diese Zeit aber zwischen Produktion-Großhandel-Einzelhandel-Nutzer sehr oft überschritten wurde, musste die Batterie ohne Säurebefüllung produziert und ausgeliefert werden (trocken vorgeladen). Für den Hersteller bedeutete die säurefreie Konservierung eine zusätzliche Taktstraße im Produktionsprozess und damit höhere Produktionskosten. Und auch der Handel hatte mehr Aufwand, musste zusätzlich Säure kaufen, die Batterie befüllen und Nachladen. Die neue Blei-Calcium-Batterie wird nun komplett gebrauchsfertig ab Werk an den Handel geliefert.
Als Nachteile sind die 1 V höhere Ladespannung und die damit verbundene schlechte Ladungsaufnahme bei Konstantspannungsladung (Spannungsbegrenzung), eine schlechte Zyklenstabilität und die ab einem unter 50 % liegenden Ladezustand eintretende gefährliche Säureschichtung zu nennen.
| Standard | Hochstrom | EFB | AGM |
|---|---|---|---|
| 36 Ah 300 A | 44 Ah 440 A | ||
| 55 Ah 480 A | 62 Ah 540 A | 60 Ah 640 A | 60 Ah 680 A |
| 66 Ah 570 A | 77 Ah 780 A | 70 Ah 760 A | 70 Ah 760 A |
| 80 Ah 740 A | 75 Ah 730 A | 80 Ah 800 A | |
| 88 Ah 680 A | 100 Ah 830 A | 95 Ah 850 A |
Äußerer Aufbau
Starterbatterien unterscheiden sich hauptsächlich in der äußeren Bauform (Garnitur) und in ihrer Leistung. Der Batteriekasten (Garnitur) lässt sich mit verschiedenen Plattengrößen und Plattenanzahlen bestücken, vom einfachem Ausbau bis zum Vollausbau. Da die Anzahl und Größe der Platten über die Leistungsfähigkeit der Starterbatterie entscheidet, finden sich auch diverse Leistungen in einer einzigen Abmessung. So kann z. B. die Garnitur 12 V 55 Ah durch entsprechenden Ausbau die Leistungsklassen bieten:
- Standardbatterie 55 Ah 480 A
- Hochstrombatterie 62 Ah 540 A
- Höchststrombatterie 60 Ah 600 A
- EFB-Batterie 60 Ah 640 A (Zyklenfest für Start-Stop-Anwendung)
- AGM-Batterie 60 Ah 680 A (Zyklenfest für Start-Stop-Anwendung)
Das gesamte Programm der Starterbatterien wird in 3 sehr umfangreichen Sparten eingeteilt:
- Starterbatterie für Motorrad, in den Kapazitäten 1–32 Ah.
- Starterbatterie für PKW, in den Kapazitäten 36–110 Ah.
- Starterbatterie für LKW, Traktoren, Baumaschinen usw. in den Kapazitäten 100–240 Ah.
Daneben gibt es noch spezielle Anwendungen in Nebenbereichen.
Die Sparte Motorrad hat dabei das umfangreichste Angebot mit über 110 Typen. Bis auf ein/zwei Typen kommt das gesamte Programm in Entwicklung und Produktion aus Fernost und umfasst neben der Standardbatterie „Nass“ auch AGM, GEL und Lithium.
Die Sparte PKW unterscheidet sich hauptsächlich im Europa-, Japan- und US-Programm. Da die Zellenanordnung hier generell quer in Längsrichtung liegt, weichen die Abmessungen technisch bedingt nur marginal voneinander ab. Für das uns eher geläufige EU-Programm sind die Japan-Batterien (eigentlich Fernostbatterien, denn sie werden nicht nur in Japan produziert) zumeist um 30 mm höher und haben keine Fußbefestigung.
Das Europaprogramm basiert auf den 5 historischen Grundtypen 36/55/66/75/88 Ah und der späteren Sondergröße 110 Ah mit den Abmessungen: Länge: x (je nach Leistung), Breite: 175 mm, Höhe 190 mm. Diese 5 Typen werden durch eine verringerte Höhe von 175 mm statt 190 mm auf 10 erweitert. Durch unterschiedliche Polanordnung steigt die Typenvielfalt auf mindestens 13. Mit diesen insgesamt 14 Garniturgrößen werden nun durch unterschiedliche interne Aufbauten mindestens 30 Starterbatterietypen für PKW generiert. In Nuancen erweitert steigt diese Zahl je nach Hersteller oder Anforderung der Automobilbauer weiter an. Was technisch nicht machbar ist, geht auf dem Etikett sehr wohl, wie z. B. 55/56 Ah oder 70/71/72/74 Ah.
Die LKW-Sparte zeigt sich in der Typenvielfalt recht bescheiden. Das alte Programm fundierte auf den historischen Garniturtypen 110/120/143/170/200 Ah mit den Abmessungen Länge: 514 mm, Breite: x (je nach Leistung), Höhe: 220–240 mm. Die Zellenanordnung erfolgt zweifach in Reihe zur Längsausdehnung. Die 110 Ah wird nicht mehr gebaut und die anderen 4 Typen wurden zu Hochstrombatterien in den gleichen Abmessungen weiterentwickelt und bilden heute den verschlankten Hauptstamm der LKW-Sparte mit den 3 Typen 140/180/220 Ah. Auch hier ist ein Leistungspielraum gegeben, wie z. B. in der Garnitur 200 Ah, die durch entsprechenden Ausbau als 220/225/230/240 Ah angeboten wird. Neben diesen Grundtypen gibt es noch einige unbedeutende Nebentypen, wie polvertauschte Batterien, Bodenleistenbefestigung oder der frühere Nato-Block. Insgesamt variiert die Typenvielfalt je nach Hersteller zwischen 15 und 25.
Der Pluspol von Starterbatterien ist oft mit einem Pluszeichen und der Farbe Rot gekennzeichnet, der Minuspol mit einem Minuszeichen und der Farbe Schwarz oder Blau. Um eine Verwechslung zu vermeiden, haben die Pole unterschiedliche Durchmesser. Der Minuspol ist bei den meisten Fahrzeugen als Massepol der mit der Fahrzeugkarosserie elektrisch verbunden ist. Manche ältere englische und US-amerikanische Fahrzeuge verwenden jedoch den Pluspol als Fahrzeugmasse.
Über die Polklemmen ist die Starterbatterie an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen. Ein falscher Anschluss (Verpolung) des Akkumulators kann schwere Schäden an der Fahrzeugelektrik zur Folge haben.
Die Lage von Plus- und Minuspol einer Starterbatterie ist modellabhängig. Die sogenannte Polanordnung beschreibt die Position der Batteriepole, wenn man eine Batterie von vorne betrachtet. In Deutschland wird zur Benennung der Polanordnung ein numerisches Schema angewandt. Für 12-Volt-Starterbatterien gilt:
| Polanordnung | Plus | Minus |
|---|---|---|
| 0 | rechts vorne | links vorne |
| 1 | links vorne | rechts vorne |
| 2 | rechts vorne | links hinten |
| 3 | links hinten | links vorne |
| 4 | links vorne | links hinten |
Starthilfe
Bei der Starthilfe durch Parallelschaltung einer geladenen Starterbatterie dürfen keinesfalls Plus- und Minus-Pole über Kreuz verbunden werden, da dies einen Kurzschluss im verwendeten Überbrückungskabel zur Folge hätte. Es wird zudem empfohlen, den Minuspol der unterstützenden Batterie an den Motorblock oder einen von der Fahrzeugbatterie entfernteren Punkt der Karosserie anzuschließen, um Ausgleichsströme zwischen den Batterien zu verringern.
Um zu verhindern, dass es beim Akkuwechsel und Hantieren mit Werkzeug zu einem Kurzschluss und Funkenflug gegen Fahrzeugmasse kommt, sollte der Minuspol stets zuerst ab- und als letztes wieder angeklemmt werden. Der Pluspol ist oft abgedeckt, um einen Kurzschluss bei Verkehrsunfällen und Fehlbedienung zu verhindern.
Probleme und Behandlungsmöglichkeiten
Die folgenden Abschnitte beziehen sich auf Bleiakkumulatoren, soweit nicht anders erwähnt.
Blei-Antimon- vs. Blei-Calcium-Starterbatterie
Die relativ unbeachtete Umstellung von Blei-Antimon- auf Blei-Calcium-Starterbatterien seit 1996 in der Erstausrüstung und zehn Jahre später im Ersatzgeschäft (Ersatzteilhandel) hat zu gewissen Schwierigkeiten in der Nutzung geführt. Auf die veränderten Eigenschaften der neuen Batterieform und die um 1 V höhere Ladespannung haben die Automobilhersteller nur bedingt und die Hersteller von Ladegeräten bislang (2020) gar nicht reagiert.
Selbst bei Neufahrzeugen wurde größtenteils an der für Blei-Antimonbatterien angemessenen Bordnetzspannung von 14–14,2 V festgehalten. Diese für Blei-Calcium-Batterien zu geringe Ladespannung führt zu einem verminderten Ladestrom und einer dementsprechend verlängerten Ladezeit im Fahrzeug. Kurzstrecken- und Wenigfahrer werden so noch häufiger von entladenen Starterbatterien betroffen und die typische Lebensdauer der neuen Batteriegeneration von 6–10 Jahren kann sich aufgrund unzureichender Ladung und dadurch einsetzender Sulfatierung auf 2–6 Jahre verkürzen.
Die in Neufahrzeugen vermehrt eingesetzten Batterie-Management-Systeme (BMS) können dem gegensteuern. Sie kontrollieren ständig den Ladezustand der Batterie und sollten eine teilentladene Batterie mit 15,4 V laden und bei vollgeladener Batterie 13,6 V im Bordnetz zur Verfügung stellen.
| Ausführung „Nass“ | Ausführung „AGM“ | Frühere Blei-Antimon-Batterie | |
|---|---|---|---|
| Leerlaufspannung bei Vollladung (Ruhespannung) | 12,7 V | 12,9 V | 12,7 V |
| Pufferspannung gegen Selbstentladung | 13 V | 13 V | 13 V |
| Erhaltungsladung | 13 – 14,8 V | 13 – 14,8 V | 13 – 13,6 V |
| Betriebsspannung im Fahrzeugbetrieb | 14,8 – 15,4 V | 14,8 V | 14 – 14,4 V |
| Nachladung mit Ladegerät (geschlossenes System) | 15,4 V | 14,8 V | 14,4 V |
| Nachladung mit Ladegerät (offenes System) | 17 V | / | 16 V |
Säure und Schwermetall
Elektroden bestehen aus Blei bzw. Bleiverbindungen und sind deshalb giftig. Die als Elektrolyt enthaltene 37-prozentige Schwefelsäure ist stark ätzend. Zur Vermeidung des Kontakts der Säure mit der Haut ist Schutzausrüstung zu verwenden. Batteriesäure ist auf gesunder Haut ungefährlich. Rissige Haut oder Wunden führen zu einem stark brennender Schmerz. Säurespritzer sollten von der Haut umgehend mit Wasser abgewaschen werden. Unbedingt sind die Augen vor der Säure zu schützen. Gelangt sie trotzdem in die Augen, ist sofort mit viel Wasser zu spülen und das Aufsuchen eines Augenarztes ist ratsam. Säurespritzern auf Textilien hinterlassen häufig zunächst keine Verfärbungen. Nach einigen Stunden bilden sich jedoch bei vielen Textilien Löcher im Gewebe.
Um die Wiederverwendung des Bleis und die Entsorgung der enthaltenen Säure zu gewährleisten, wird in Deutschland beim Neukauf einer Batterie die alte Batterie vom Verkäufer zurückgenommen. Kann der Käufer sie nicht zurückgeben, muss ein Pfand in Höhe von 7,50 € hinterlegt werden. Dieser Betrag wird dann bei der Rückgabe der Altbatterie wieder ausgezahlt.
Temperaturabhängigkeit der Kapazität
Je tiefer eine (Starter-)Batterie abgekühlt ist, desto höher ist ihr Ausgangswiderstand (Innenwiderstand). Durch den erhöhten elektrischen Widerstand nimmt der Spannungsabfall bei gleicher Last zu, so dass sich die nutzbare Kapazität verringert. Bei −18 °C steht weniger als die Hälfte der normalen Kapazität zur Verfügung. Bei Extremtemperaturen wird empfohlen, den Akkumulator auszubauen und über Nacht in einem beheizten Raum zu lagern.
Da das Anlassen des Motors unter anderem aufgrund des zäheren Motoröls im Winter mehr Leistung erfordert, sollten ältere Batterien vor Eintritt des Winters darauf überprüft werden, ob die verbleibende Kapazität noch für das Starten bei tiefen Minusgraden ausreicht. Bei älteren Batterien waren die einzelnen Zellen nach dem Abschrauben eines Stopfens zugänglich, um die Säuredichte mit einem Säureheber zu prüfen und gegebenenfalls destilliertes Wasser nachzufüllen.
Bei geschlossenen Akkus mit Nasszellen lässt sich die noch vorhandene Kapazität anhand der Ruhespannung der Starterbatterie abschätzen. Sie sollte bei einem gut geladenen Akku einige Stunden nach Abschluss des Ladevorgangs noch mehr als 12,7 V betragen.
Schlammbildung und Gitterkorrosion
Die Lade- und Entladevorgänge während des Betriebs sorgen für eine Umwandlung des Bleis in Bleidioxid oder Bleisulfat. Das führt zur allmählichen Lockerung der Bleiplatten, zur Bildung eines Bodensatzes (Bleischlamm) und zu zunehmenden Kapazitätsverlust. Dies wird umgangssprachlich als Verschlammung der Zellen bezeichnet. Am Boden von Starterbatterien mit flüssigem Elektrolyten waren früher Mulden zum Sammeln des „Schlamms“ vorgesehen. Wenn der Bodensatz schließlich die Unterkante der Platten (Elektroden) erreichte, entstand ein Zellenschluss zwischen den Elektroden. Heute verhindern Taschenseparatoren, mit denen immer abwechselnd eine Platte (entweder Plus oder Minus) vollständig umschlossen ist, das Ausschlammen. Moderne Batterien haben keinen Schlammraum mehr, die Elektroden stehen direkt auf dem Boden des Gehäuses. Ferner tritt im Laufe der Nutzungsdauer eine fortschreitende Umwandlung der positiven Bleigitter in Bleidioxid auf. Diese sogenannte Gitterkorrosion kann zu Unterbrechungen der Stromableiter und damit zum Zellenausfall führen.
Überladung
Die bis in die 1970er Jahre gebräuchlichen elektromechanischen Laderegler mit ungenauem Spannungsregler sowie ungeregelte oder zu starke Ladegeräte führten häufig zur Überladung der Zellen. Beim Laden wird zunächst das gesamte Bleisulfat wieder in Blei (Minuselektrode) und Bleidioxid (Pluselektrode) umgesetzt. Wenn nach dem Erreichen der Ladeendspannung weiterhin ein Ladestrom fließt, wird das Blei des Gitters angegriffen (Gitterkorrosion). Das Gitter vergrößert sich, die Festigkeit der eingepressten Stoffe lässt nach und es bildet sich Knallgas.
Ladespannung und Ladestromstärke
Die wartungsfreie Ladeschlussspannung sollte bei einer Temperatur von 15 bis 25 °C für die 12 V-Starterbatterie je nach Batterietyp im Bereich von 14,8 V (AGM-Batterie)[2], 14,4 V (Ausführung „Nass“ PbSb) bzw. 15,4 V (Ausführung „Nass“ PbCa) liegen. Der Ladestrom in Ampere sollte ein Zehntel der Akkukapazität in Amperestunden betragen (z. B. 4 A bei einem Akkumulator mit einer Kapazität von 40 Ah), um die Lebensdauer zu maximieren. Bei Schnellladung sollte der Ladestrom ein Drittel des Wertes der Kapazität nicht übersteigen. In Kraftfahrzeugen regelt der Lichtmaschinenregler auch die Ladeschlussspannung, was nach dem Start des Motors je nach Entladungszustand oft zu einem zunächst höheren Ladestrom führt.
Blei-Akkumulatoren (PbSO4 - PbO2) haben eine elektrochemisch vorgegebene Gasungsspannung von 2,39 V[3]. Liegt die Ladespannung bei über 2,4 V (PbSb)[4] pro Zelle (beim 12-Volt-Akkumulator ergeben sich zusammengenommen 14,4 V), beginnt die Gitterkorrosion, die sich durch die hörbare Bildung von Gasblasen im Akku bemerkbar macht. Um dies zu verhindern, sollte der Akkumulator nicht bis zur Vollladung mit hohen Strömen geladen werden. Ein Schnellladegerät sollte einen entladenen Bleiakkumulator nur bis zu ca. 70 % der Kapazität mit vollem Ladestrom versorgen und dann auf einen geringeren Stromfluss umschalten. Ladegeräte sollten ebenso wie die KFZ-Lichtmaschinenregler eine Spannungsbegrenzung besitzen, die die Ladespannung beim schnellen Laden bei 14,4 V (bzw. bis zu 14,8 V bei AGM-Akkumulatoren) und bei Dauerladung bei 13,8 V abregelt. Die Dauer- oder Erhaltungsladung wird beispielsweise bei Notstromaggregaten verwendet. Dabei wird die Zellenspannung auf 2,3 V bzw. 13,8 V beim 12-Volt-Akku begrenzt.
Explosionsgefahr
Bei Überladung einer Zelle auf mehr als 2,6 Volt kommt es zu verstärkter elektrochemischer Zersetzung (Elektrolyse) des Elektrolyts, das nach außen durch „Gasung“ erkennbar wird. Dabei entstehen als Gase sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff, die zusammen das hochexplosive Knallgas bilden. In der Nähe von Akkumulatoren sind daher Funken, offenes Licht und heiße oder glühende Gegenstände zu vermeiden, sofern nicht eine gute Ventilation sichergestellt ist.
Säurestand
Früher war es üblich, regelmäßig den Flüssigkeitsstand der Zellen zu überprüfen. Sofern sich der Flüssigkeitsstand von außen durch das Gehäusematerial erkennen lässt, sollte dieser auch bei wartungsfreien Akkumulatoren gelegentlich überprüft werden. Die Flüssigkeit sollte etwa 10 mm über dem oberen Plattenrand stehen. Bedeckt die Säure die Platten nicht mehr, nimmt die trockengefallene Zone Schaden. Zum Nachfüllen darf nur demineralisiertes oder destilliertes Wasser benutzt werden.
Bei aktuellen, wartungsfreien Akkumulatoren können die Zellendeckel nicht mehr ohne weiteres entfernt werden und meist ist es auch kaum möglich, sie wieder fest zu verschließen.
Zu geringe Ladung
Ein zu geringer Ladezustand ist die häufigste Ursache für Batterieschäden. Moderne Fahrzeuge entnehmen der Batterie auch in der Standzeit Energie für den Standby-Betrieb von Steuergerät, Uhr, Radio, elektronisch gesteuerte intelligente Einstiegs- & Startsysteme, permanent aktiv geschaltete elektrische Verbrauchsgeräte wie z. B. zur Marderabwehr usw. Bei einem durchschnittlichen Ruhestromwert von 0,02 A verliert die Batterie schon ca. 0,5 Ah pro Tag, 3,4 Ah pro Woche und mindestens 15 Ah pro Monat bei Nichtbenutzung. Der tägliche Stromverbrauch durch den Ruhestrom ist damit größer als durch zwei Motor-Startvorgänge (ca. 2x0,1 Ah bei einem PKW).[5] Ein Ruhestrom von maximal 0,04 A[6] (Entladung um 30Ah pro Monat) ist noch als normal anzusehen. Höhere Ruheströme und längere Standzeiten fördern einen Verschleiß durch Sulfatierung.
Im Winter, wenn die Leistungsfähigkeit der Akkumulatoren durch niedrige Temperaturen ohnehin eingeschränkt ist, werden oft zusätzliche Verbraucher wie Sitz- und Scheibenheizung genutzt und es wird häufiger mit Licht gefahren. Insbesondere, wenn überwiegend Kurzstreckenfahrten stattfinden, kann die Lichtmaschine dann die Starterbatterie im Betrieb unter Umständen nicht mehr vollständig nachladen. Fällt die Ruhespannung während der Standzeiten des Fahrzeugs unter ca. 12,5V (minimal 12,4V)[7], dann sollte die Batterie mit einem externen Ladegerät aufgeladen werden, um bleibende Schäden durch Sulfatierung zu vermeiden.
Wird bei einem parkenden Fahrzeug das Licht (oder ein anderer Verbraucher) versehentlich angelassen, kann sich die Batterie in kurzer Zeit übermäßig entladen. In solchen Fällen muss zunächst durch den Anschluss eines Batterieladegeräts ein ausreichend hoher Ladestand wiederhergestellt werden. Alternativ kann Starthilfe geleistet werden, indem eine zweite Batterie angeschlossen wird, etwa indem ein Überbrückungskabel (Starthilfekabel) vom Motorraum eines zweiten Fahrzeugs aus verlegt wird.[8]
Standschaden
Wird ein Fahrzeug über 3 Monate oder länger nicht benutzt, ist ein Standschaden durch einen bis unter 10,8 Volt entladenen Akkumulator möglich. Durch den normalen Entladevorgang bildet sich an beiden Platten Bleisulfat in Form von winzigen Kristallen, deren große Oberfläche einen schnellen Ladevorgang ermöglicht. Wenn der Akkumulator längere Zeit im teil- oder ganz entladendem Zustand (bei geringer Spannung) ruht, wachsen die anfangs kleinen zu größeren und harten Kristallen zusammen. Durch die geringere Oberfläche der wenigen großen Kristalle verringert sich die Kapazität dauerhaft. Man spricht von „grobkristalliner Sulfatierung“, die schließlich zum Totalausfall des Akkumulators führt. Standschäden treten typischerweise bei saisonal benutzten Fahrzeugen wie Zweirädern, Wohnmobilen, Motorbooten, Snowmobilen etc. auf.[9]
Wartung, Pflege und Prüfung
Moderne Starterbatterien sind bei richtiger Nutzung über ihre gesamte Lebensdauer (6–10 Jahre) wartungsfrei. Das setzt voraus, dass sie sich überwiegend in einem Ladezustand von über 90 % befinden. Sinkt der Ladezustand auf 80 % sollte zeitnah nachgeladen werden, unterhalb 80 % ist sofort nachzuladen.
„Je niedriger der Ladezustand und je länger der Zeitraum ungenügender Ladung, um so niedriger die Startleistung und um so größer die Wahrscheinlichkeit der Schädigung der Batterie.“
Fahrstrecken von täglich über 50 km erhalten den vollen Ladezustand. Kurzstreckenfahrer und Wenigfahrer mit weniger als 50 km im Monat müssen zusätzlich nachladen um die volle Lebensdauer der Batterie zu erhalten. Der Ladezustand wird zusätzlich von der Lichtmaschinenspannung, zusätzlichen Verbrauchern und die Außentemperatur beeinflusst. Im Leerlauf des Motors erfolgt in der Regel keine Nachladung der Batterie. Scheinwerfer und Sitzheizung sollten darum nur während der Fahrt genutzt werden. Auch eine längere Nutzung des Innenraumlichts und des Radios im Stand verringert die Batterieladung.
Die Lichtmaschinenspannung im Fahrzeug sollte 14,8 V nicht unterschreiten. Manche Batterie-Management-Systeme (BMS) laden bis 15,4 V (bei AGM-Batterien nur bis 14,8 V).
Werden überwiegend Kurzstrecken von weniger als 5 km gefahren, empfiehlt es sich, die Batterie gelegentlich durch ein externes Ladegerät nachzuladen. Falls möglich sollten 14,8 V Ladespannung gewählt werden.
Sinnvoll ist der Einbau einer Ruhespannungsanzeige für die Batterie. Anhand der Ruhespannung (Leerlaufspannung) der Batterie, die sich nach einigen Stunden Nichtbenutzung einstellt, kann der ungefähre Ladezustand abgeschätzt werden. Der CTEK-Indikator zeigt bei einer Starterbatterie in der Ausführung „Nass“ korrekt den einzuhaltenden Ladezustand an (Rot = unbedingt nachladen). Die Anzeige sollte abgelesen werden, bevor das Fahrzeug aufgeschlossen wird. Beim Öffnen der Fahrzeugtür schalten sich Verbraucher wie die Innenbeleuchtung an, was die Spannungsanzeige verfälscht. Das Messen der Säuredichte, die eine sehr gute Aussage über den Ladezustand zulässt, ist meist nicht mehr möglich, da heutige Batterien überwiegend verschlossen sind.
Wird eine Batterie auf unter 50 % entladen, entsteht beim erneuten Laden einer Blei-Calcium-Batterie eine gefährliche Säureschichtung (außer AGM-Batterie). Im unteren Bereich der Batterie höher konzentrierte Säure > 1,28 g/cm³ bildet, im oberen Bereich hingegen dünnere Säure < 1,15 g/cm³. Automatikladegeräte können die Batterie zwar startfähig laden, die Säureschichtung aber nicht beseitigen. Die Säureschichtung führt nicht nur zu verfälschten Anzeigen von Säuredichte (zu niedrig) und Ruhespannung (zu hoch), sondern hauptsächlich durch ungenügende Ladung zu Schäden an der Batterie. Statt einem Automatikladegerät muss ein ungeregeltes Ladegerät verwendet werden und die Batterie ist 24 Stunden lang mit 16 V zu laden. Bei dieser Spannung erreicht sie eine geringe Gasung, die die Säureschichtung beseitigt. Sicherheitshalber sollte dazu die Batterie vom Bordnetz des Fahrzeugs getrennt werden. Ein anderer, sehr zeitaufwendiger Weg ist eine Wartungsladung mit konstanter Spannung von 14,8 V über 3-4 Wochen. Dazu kann die Batterie im Fahrzeug verbleiben, muss aber nach jeder Fahrt immer wieder an das Ladegerät. Da alle Automatikladegeräte immer noch auf die frühere Blei-Antimonbatterie mit ihren niedrigeren Spannungswerten abgestimmt sind, ist kaum ein Gerät zu bekommen, das permanent und ohne Zeitunterbrechung mit 14,8 V lädt. Da eine AGM-Batterie nicht über 14,8 V geladen werden sollte, ist die Wartungsladung mit 14,8 V über 4 Wochen der einzige Weg diese Batterietype wieder vollständig aufzuladen und zu regenerieren.
- Vor dem Winter sollte bei Nasszellen eine Kontrolle des Flüssigkeitsstandes (bzw. Elektrolyten) stattfinden. Ist er zu tief, muss der Akkumulator mit demineralisiertem Wasser bis zur Markierung aufgefüllt werden. Seit den 2000er Jahren haben sich wartungsfreie Akkumulatoren durchgesetzt, deren Zellen nicht mehr zu öffnen sind und deren Elektrolyt somit auch nicht nachgefüllt werden kann. Diese Akkumulatoren sind so konstruiert, dass die Zersetzung des Elektrolyten in Wasserstoff und Sauerstoff minimiert wird. Unreines Wasser, dazu zählt in diesem Fall auch Leitungs- und Mineralwasser, würde den Akkumulator innerhalb kurzer Zeit unbrauchbar machen (Korrosion der Elektroden). Schlecht arbeitende Spannungsregler der Lichtmaschine begünstigen die Zersetzung des Wassers und erfordern einen höheren Wartungsaufwand.
- Überprüfung des Reglers durch eine Fachwerkstatt auf Ladespannung und Ladestrom. Die Ladespannung muss mindestens 14,4 V betragen und soll 15,4 V (Nasszellen) und 14,8 V (AGM) nicht überschreiten. Bei zu hoher Ladespannung verlieren auch an sich wartungsfreie Akkumulatoren schnell zu viel Wasser, was sich negativ auf ihre Lebensdauer auswirkt. Liegt die Spannung darunter, wird der Akkumulator nicht komplett geladen, was folgende Startvorgänge erschwert und die Lebensdauer verkürzt.
- Ladegeräte sollten im oberen Ladebereich mit mindestens 14,8 V arbeiten, und der Ladestrom sollte bei ungeregelten Ladegeräten höchstens ein Zehntel der Kapazität des Akkumulators, geteilt durch 1 h, betragen. Bei tiefentladenem Akkumulator ist bis ca. 70 Prozent der Vollladung eine Schnellladung mit hohen Strömen möglich, doch darf auch dabei die Spannung nicht über 14,4 V betragen.
- Nach dem Laden sollte der Akkumulator geprüft werden. Dabei ist u. a. die Säuredichte bei Vollladung zu beachten. Im Handel werden verschiedene Systeme angeboten. So kann die Säuredichte mittels Aräometers, auch als Spindel, Säureheber oder mit Bezeichnungen wie als Magisches Auge[10] bezeichnet, bestimmt werden, alternativ mittels Refraktometers.
| Ladezustand Nass-Batterie | ||
|---|---|---|
| Säure- dichte |
Klemmen- spannung |
Ungefährer Ladezustand |
| 1,28 g/cm³ | ca. 12,70 V | voll geladen (100 %) |
| 1,26 g/cm³ | ca. 12,60 V | normal geladen (90 %) |
| 1,24 g/cm³ | ca. 12,50 V | schwach geladen (80 %) |
| 1,18 g/cm³ | ca. 12,20 V | normal entladen (50 %) |
| 1,10 g/cm³ | ca. 11,80 V | ent- und tiefentladen (10 %) |
Ladezustand und Ruhespannung
Eine Besonderheit aller Blei-Akku-Typen im Vergleich zu anderen Akku-Technologien (z. B. NiCd, NiMh, LiCoO2, LiFePO4 etc.) ist, dass ein Teil des Elektrolyten beim Laden und Entladen direkt an der stromliefernden chemischen Reaktion beteiligt ist. Zwangsläufig verringert sich dadurch die Konzentration der Schwefelsäure während der Entladung und steigt beim Aufladen wieder an.
Als Beispiel sei hier die Dichte einer geschlossenen Blei-Säure/Nass-Batterie mit einer Säuredichte von 1,28 g/cm³ bei Vollladung angenommen: Bei vollständiger Entladung ist die Dichte auf 1,1 g/cm³ abgesunken, bei 1,18 g/cm³ ist der Akku nur noch halb geladen. Wer mit einem Aräometer arbeitet, erhält einen guten Überblick über den Ladezustand, muss aber die Zellen öffnen und eine Probe des Elektrolyten ansaugen. Das ist nur bei ausreichender Erfahrung zu empfehlen.
Bei flüssig gefüllten Blei-Säure-Starter-Batterien ist eine Säuredichte von 1,24 bis 1,28 g/cm³ bei Voll-Ladung üblich, da in diesem Bereich die elektrische Leitfähigkeit am größten und damit die Startstrom-Leistung am höchsten ist. Für AGM-Batterien der 2. Generation (AGM-2) wurde eine etwas höhere Säuredichte von 1,30 bis 1,32 g/cm³ für eine verbesserte Zyklenfestigkeit gewählt. Gleichzeitig ist der Gefrierpunkt der Batterieflüssigkeit in diesen Bereichen der Säuredichte am niedrigsten (um ca. −60 °C bis −70 °C). Die Ruhespannung eines Blei-Akkus wiederum resultiert gemäß der Nernst-Gleichung (temperaturabhängig) aus der Säuredichte. Dies ermöglicht eine näherungsweise Bestimmung der Schwefelsäurekonzentration und somit des Ladezustandes durch eine Spannungsmessung.[11]
Bei den heute üblichen, wartungsfreien Starterbatterien mit nicht mehr von außen zugänglicher Batterieflüssigkeit ist die Messung der Ruhespannung oft auch die einzige Möglichkeit, den Ladezustand zu bestimmen. Diese Methode ergibt jedoch z. B. bei einem durch eine Tiefentladung vorgeschädigten Akku durch die dadurch evtl. verursachte Säureschichtung unzuverlässige (i. d. R. zu hohe) Werte.
Für die praktische Anwendung kann laut der Fachliteratur[12] „bei normaler Umgebungstemperatur“ eine Näherungsgleichung benutzt werden:
Zellspannung = 0,84 + (Säuredichte in g/cm³)
Für eine aus 6 Zellen bestehenden KFZ-Starterbatterie ergibt sich somit:
Ruhespannung = 6 × (0,84 + (Säuredichte in g/cm³))
Zu beachten ist, dass diese Messung erst durchgeführt werden kann, wenn sich der Akkumulator beruhigt hat, d. h. etwa 4 Stunden nach der letzten Ladung/Fahrt/Entladung.
Die Spannung sollte nicht unter 12,5 V absinken, das sind ca. 80 % der vollen Ladung. Bei 12,2 V ist ein PbCa-Akkumulator ca. halb geladen, bei 11,5 V ist er entladen. Sollte er noch weiter entladen werden, kann er nur bei sofortiger Aufladung seine ursprüngliche Kapazität wieder erreichen.
Das Verfahren ergibt nur dann eine halbwegs verwertbare Angabe, wenn die Batterie nicht hochohmig geworden ist. Einen hochohmigen Akkumulator erkennt man daran, dass er beim Laden sehr schnell „voll“ ist, die Spannung aber sofort, auch bei Entnahme kleiner Ströme, wieder zusammenbricht. Ist die Starterbatterie dagegen noch in Ordnung, sollte sie auch problemlos und ohne dass dabei die Spannung zu stark einbricht für ein paar Sekunden das ungefähr Dreifache ihrer Nennkapazität/1h an Strom liefern können.
Lagerung und Selbstentladung
Starterbatterien sollten über längere Zeit (mehrere Monate) nicht ohne ausreichenden Ladezustand stehengelassen werden. Muss ein Akkumulator doch einmal über längere Zeit unbenutzt stehen, sollte er zuvor von allen Verbraucherstromkreisen getrennt und voll geladen werden. Ältere Starterbatterien mit Antimon-legierten Gittern (PbSb) haben eine erhöhte Selbstentladung und müssen nach spätestens 3 Monaten nachgeladen werden. Eine moderne, wartungsfreie Starterbatterie (PbCa) kann nach Volladung 12 – 15 Monate unbenutzt gelagert werden. Zudem besteht beim Stehenlassen der Starterbatterie ohne Nachladung eine erhöhte Gefahr von schädlicher Sulfatierung. Zu langes Stehenlassen schadet daher dem Akkumulator. Die Ruhespannung eines 12-Volt-Bleiakkumulators sollte generell über einen längeren Zeitraum nicht unter 12,5 V, und selbst kurzzeitig niemals unter 11,8 V abfallen.
Hilfreich ist bei längerer Nichtbenutzung auch eine sogenannte Erhaltungsladung mit einer geringen Spannung von 13 – 13,4 V, bei der sich ein geringer Strom einstellt, der nur die Selbstentladung kompensiert.
Die Ladespannung sollte bei etwa 15 °C bis 25 °C im Bereich von 14,8 V (AGM) bis 15,4 V liegen. Der Ladestrom sollte bei ungeregelten Ladegeräten ein Zehntel bis höchstens ein Fünftel der Batteriekapazität/1h betragen und auch bei Schnellladung ein Drittel des Wertes der Kapazität/1h nicht übersteigen. Bei spannungsgeregelten Ladegeräten ist eine Begrenzung des Ladestroms nicht erforderlich.
Die Gasungsspannung liegt bei PbCa-Batterien etwa bei 15,8 V und sollte vor allem beim Laden verschlossener Starterbatterien nicht überschritten werden. Die Klemmenspannung kurz nach dem Beenden der Ladung einer soeben vollgeladenen Starterbatterie wird von der Ladespannung zuerst schnell auf etwa 13,2 V und von da ab langsamer bis auf etwa 12,8 V abfallen.
Ein anderes Problem, das zur Entladung der Starterbatterie führen kann, sind Kriechströme. Dazu kann es kommen, wenn die Oberfläche der Batterie oder die Pole verschmutzt sind (beispielsweise durch Umwelteinflüsse wie Schmutz und Feuchtigkeit).
Korrodierte Anschlüsse führen zu erhöhten Übergangswiderständen und beeinflussen das Startverhalten negativ. Außerdem verhindern sie, dass der Generator die Batterie vollständig aufladen kann. Es 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.
Wartungsarme, wartungsfreie und MF-Akkumulatoren (VRLA)
| Bezeichnung | Spezifischer Wasserverbrauch |
|---|---|
| Wartungsarmer Akkumulator | Maximal 16 g pro Ah Nennkapazität nach 42 Tagen |
| Wartungsfrei – kühler Einbauort | Maximal 3 g pro Ah Nennkapazität nach 42 Tagen |
| Wartungsfrei – heißer Einbauort | Maximal 8 g pro Ah Nennkapazität nach 42 Tagen |
Ein Akkumulator heißt „wartungsarm“, wenn der ermittelte Gesamtwasserverbrauch nach 42 Tagen maximal 16 g/Ah der Nennkapazität beträgt. Wartungsarme Akkumulatoren werden heute nicht mehr hergestellt.
Ein Akkumulator wird als „wartungsfrei“ bezeichnet, wenn unter normalen Umständen kein destilliertes Wasser nachgefüllt werden muss (siehe nachfolgende Tabelle).
Seit etwa den 1990er Jahren sind wartungsfreie, versiegelte VRLA-Akkumulatoren, auch als MF-Akkumulator bezeichnet, auf dem Markt. MF steht für englisch Maintenance Free. Sie haben ab den 2000er Jahren den klassischen Blei-Säure-Akkumulator mit den farbigen Stopfen auf der Oberseite nahezu verdrängt. Ein solcher Akkumulator kann bei guter Pflege sechs bis zehn und mehr Jahre alt werden. Das »wartungsfrei« bezieht sich also vorwiegend darauf, dass kein destilliertes Wasser nachgefüllt werden muss, weil aus ihr nur wenig verschwindet. Die Kontrolle des Ladezustands und ggf. Nachladen der Batterie ist Voraussetzung für eine hohe Lebensdauer.
VRLA-Akkumulatoren besitzen ein festgelegtes Elektrolyt. Die Zellverschlussstopfen lassen sich nicht herausschrauben. Die beim Überladen entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff werden innerhalb der jeweiligen Zelle wieder in Wasser zurückgewandelt. In den nicht zugänglichen Verschlussstopfen befinden sich Entgasungsventile, die bei Überdruck eine gezielte Gasableitung in den zentralen Entgasungskanal ermöglichen. Zusätzlich befindet sich unter dem Deckel auf dem Sicherheitsventil ein Keramikfilter, der so genannten Fritte, diese mindert das vorzudringen von externen Flammenfronten und dient als Schutz gegen Explosion (Rückzündschutz).
Vorteile:
- Wartungsfrei, da das Kontrollieren des Elektrolyts (Schwefelsäure) und Nachfüllen mit destilliertem bzw. demineralisiertem Wasser entfällt.
- In beliebiger Lage einsetzbar (AGM- und Gel-Batterie).
Nachteil:
- Bei zu starkem Laden tritt das überschüssige Gas über ein Entgasungsventil aus. Da diese Flüssigkeitsmengen nicht ersetzt werden können, ist eine nachhaltige Beschädigung der Batterie möglich.
- Empfindlich gegen Hitze. Deshalb werden AGM-Batterien nicht im Motorraum, sondern an anderen Stellen im Fahrzeug eingebaut (Kofferraum, unter hintere Sitzbank u. a.).
Ergänzender Hinweis: Bei der Zentralentgasung tritt das Gas an einer definierten Stelle aus der Batterie aus. Mit Hilfe eines Entgasungsschlauches kann die Ableitung des Gases gezielt zu einer unkritischen Seite erfolgen z. B. weg von zündungsführenden Teilen. Abhängig vom Einbauort kann die Batterie pluspolseitig oder minuspolseitig entgasen. Meist ist eine Rückzündungshemmung vorgesehen, bestehend aus einer porösen Kunststoffscheibe, der sogenannten Fritte. Diese befindet sich vor der Öffnung der Zentralentgasung. Werden die aus der Entgasungsöffnung austretenden Gase von außen entzündet, soll die Fritte das Hineinschlagen der Flamme ins Innere der Batterie verhindern.
Abkürzungen und Begriffe
Kaltstartstrom, CCA
In der Praxis wird die Startleistung einer Autobatterie davon bestimmt, wie viel Strom lieferbar ist, ohne dass die Spannung auch bei großer Kälte zu sehr einbricht. Der englische Fachbegriff für Kaltstartstrom ist cold cranking amps (engl.), davon leitet sich die Abkürzung CCA ab.
Der Kälteprüfstrom wird nach international unterschiedlichen Normen (SAE, DIN, IEC oder EN)[13] mit verschiedenen Prüfmethoden und Grenzwerten an neuen, vollständig geladenen und durchformierten (durch ausreichend Ladezyklen konditionierten)[14] Batterien ermittelt. Alle Prüfnormen ermitteln den Kaltstartstrom bei einem auf -18 °C (= ca. 0 °F) heruntergekühlten Akkumulator.
Der Kaltstartstrom von Pkw-Starterbatterien liegt meist zwischen 200 und 850 A (EN), wobei die gängigsten Akkumulatoren zwischen 360 und 680 A (EN) liegen. Lkws verfügen über Starterbatterien mit höherer Kaltstartstromstärke zwischen 500 und 1200 A (EN).
Aufgrund ohmscher Leitungsverluste und einer begrenzten chemischen Reaktionsgeschwindigkeit und Oberfläche der Aktivmasse ist die an den Polklemmen abgegebene Spannung sehr von der Entladestromstärke abhängig. Der maximal lieferbare Strom ist somit abhängig vom inneren Aufbau, der Zusammensetzung der Aktivmasse, der Temperatur und ganz entscheidend vom Ladezustand und der Alterung der Batterie.
Im Handel und von Herstellern wird der Kaltstartstrom oft präziser als Kälteprüfstrom bezeichnet, da er nicht zwangsläufig identisch mit dem beim Kaltstart vom Anlasser aufgenommenen bzw. benötigten Strom ist. Während des Prüfvorgangs wird in der Batterie eine hohe Wärmeleistung von mehreren Kilowatt (entsprechend der Leistung von 1 bis 2 Elektro-Herd-Platten) umgesetzt, wodurch sich der Akku selbst erwärmt und somit die chemische Reaktionsgeschwindigkeit und Stromlieferfähigkeit während des Entladeversuchs steigt.
Nach der weltweit sehr verbreitet verwendeten US-amerikanischen Norm SAE gibt der Kaltstartstrom den maximalen Strom an, den ein neuer, vollständig geladener Akkumulator bei −18 °C für eine Dauer von mindestens 30 s liefern kann, wobei die Klemmenspannung am Ende nicht unter 7,2V fällt. Dabei liefert jede einzelne Zelle unter Last eine Spannung von 1,2 V .
Gemäß der inzwischen veralteten Messung nach Deutscher Industrienorm[15] (DIN) sollte die Gesamtspannung einer 12-Volt-Batterie nach 30 s sogar noch 9 V bzw. 1,5 V pro Zelle betragen. Zwangsläufig ergeben sich nach DIN daher immer erheblich geringere Zahlenwerte für den Kaltstartstrom, als nach der international gängigen SAE Norm.
Gemäß EU-Verordnung 1103/2010[16] ist der Kaltstartstrom seit 2012 in der EU und damit auch in Deutschland verbindlich entsprechend der Europa-Norm für Blei-Akkumulator-Starterbatterien anzugeben. Bei dieser Norm (EN 61056-1, in Nov. 2011 abgelöst durch EN50342.1)[17] darf die Klemmenspannung 10 Sekunden nach Beginn des Hochstrom-Entladeversuches nicht unter 7,5V absinken. Aufgrund des anderen Messverfahrens und der höheren Mindestspannung von 7,5V ergeben sich für den Kaltstartstrom nach EN etwas geringere Zahlenwerte als bei der Messung nach SAE.
Startstrom, CA
Der Startstrom CA gibt den Strom an, den eine neue Starterbatterie bei 0 °C für eine Dauer von 30 s liefern kann, bei dem jede einzelne Zelle noch eine Spannung von 1,2 V aufweist. Der englische Fachbegriff für Startstrom ist cranking amps (engl.), aus dem sich die Abkürzung CA ableitet. Diese Angabe wird auch als MCA bezeichnet (kurz für engl. marine cranking amps).
Warmstartstrom, HCA
Der Warmstartstrom (HCA) gibt die minimale Stromabgabe in Ampere bei einer Temperatur von 26,7 °C und einer Zeitdauer von 30 s an. Dabei darf die Spannung pro Zelle der Batterie nicht unter 1,2 V fallen, die Gesamtspannung also 7,2 V nicht unterschreiten. Der englische Fachbegriff für Warmstartstrom ist englisch hot cranking amps, davon leitet sich die Abkürzung HCA ab.
Reservekapazität, RCM/RC
Die Reservekapazität gibt die Ladungsmenge an, die eine Batterie bei einer Belastung von 25 A bis zur Entladeschlussspannung von 10,5 V abgeben kann. Dieser Wert entspricht der tatsächlichen Kapazität der Batterie. Er kann, vor allem bei alten Batterien, erheblich von der Nennkapazität abweichen. Durch moderne Messverfahren wie die elektrochemische Impedanzspektroskopie „EIS“ kann die Reservekapazität relativ genau ermittelt werden.
Batteriegröße, BCI und Gewicht
Aufgrund der Vielfalt von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor gibt es eine große Anzahl verschiedener technischer Spezifikationen für Starterbatterien. Die häufigsten Formen sind Pkw- und Lkw-Starterbatterien. Das Battery Council International (BCI) definiert zahlreiche Gruppen von Standardbatteriegrößen. Die relevante Norm für Kraftfahrzeugbatterien in Europa ist die Europanorm (EN) 50342 („Lead-Acid Starter Batteries“). Die Norm EN-50342-2 („Dimensions and Marking of 12 V Batteries“) definiert unter anderem die Außenmaße von Pkw-Batterien und Norm EN-50342-4 („Dimensions of Batteries for Heavy Vehicles“) für Lkw.
Die maximalen Abmessungen für Pkw-Akkus sind (H × B × L) 190 mm × 175 mm × 393 mm und 240 mm × 273 mm × 518 mm beim Lkw. Gängig sind für Pkws sechs Zellen in Reihe mit den Polen an der langen Seite und zwei Reihen von drei Zellen mit den Polen an der kurzen Seite für Lkws. Da das Gewicht von der verwendeten Menge an Blei abhängt, unterscheiden sich die Gewichte von Pkw- und Lkw-Batterien stark: sie liegen zwischen 10 kg bis 30 kg für Pkws und 35 kg bis 65 kg für Lkws.
Nennspannung
Die tatsächliche Spannung des Bordnetzes von Kraftfahrzeugen liegt während der Fahrt über der Nennspannung der Starterbatterie, da diese während der Fahrt geladen werden soll. Die Bordnetzspannung ist somit abhängig vom Ladezustand der Batterie. Bei Annäherung an den Vollladezustand wird die Bordnetzspannung auf den Wert der temperaturabhängigen Ladeschlussspannung begrenzt . Sie liegt in der Praxis je nach Laderegler bei 14,4 V (Blei-Säure-Nassbatterien) bis 14,8V (AGM-Batterien) (Grund und Zusammenhänge s. o.). Dennoch wird gewöhnlich die Nennspannung der Starterbatterie als Spannung des Bordnetzes angegeben. Bei Personenkraftwagen sind üblicherweise 12 V, bei Lkw 24 V, bei älteren Pkws (v. a. vor Baujahr 1970) und bei einigen Motorrädern sind auch noch 6 V verbreitet.
Nennkapazität
Die Angabe der Kapazität Q erfolgt in der Maßeinheit Amperestunden (Ah) für Starterbatterien mit 20 Stunden Entladezeit T bei 27 °C (K20). Eine voll geladene Starterbatterie mit einer angegebenen Nennkapazität Q = 36 Ah kann dann bei 25 °C für 20 Stunden einen mittleren Strom von I = 1,8 A 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:
Wird eine elektrische Last an den Akkumulator geklemmt, ergibt sich die maximal mögliche Zeit mit:
mit:
Unenn: Nennspannung an den Klemmen Pnenn: angeschlossene Nennleistung (Last) Qist: Kapazität T: Zeit
Bei höherer Stromstärke, niedrigerer Temperatur oder fortgeschrittener Alterung der Starterbatterie ist die tatsächliche Kapazität niedriger als die Nennkapazität. Ursächlich sind nichtlineare Zusammenhänge zwischen Ladung und Entladungsstromstärke, welcher als Peukert-Effekt bezeichnet wird und mit der Peukert-Gleichung überschläglich bestimmbar ist.
Während einer Entladung mit gleichbleibender Stromstärke ändert sich die Geschwindigkeit, mit der die Spannung der Starterbatterie fällt. Der Mittelwert der Spannung während der Entladezeit, der die Berechnung der Energie beziehungsweise Arbeit in der Maßeinheit Wattstunde (Wh) ermöglichen würde, wird nicht angegeben.
| Motorroller 50 cm³ | 2 bis 12 Ah (12/6 V) |
| Motorrad: | 6 bis 32 Ah (12/6 V) |
| Kleinwagen | 35-44 Ah (12 V) |
| Pkw (Kompaktklasse) | 44 bis 56 Ah (12 V) |
| Pkw (Mittelklasse) | 60 bis 70 Ah (12 V) |
| Pkw (Oberklasse) | 60 bis 110 Ah (12 V) (12 V, 24 V) |
| Lkw (bis 7,5 t) | 75 Ah bis 110 Ah (12 V, 24 V) |
| Lkw (ab 7,5 t) | 140 bis 240 Ah (2 × 12 V) |
Die benötigte Kapazität richtet sich nach mehreren Kriterien:
- Hubraum (Anlasserdrehmoment): Einzylindermotoren mit gleichem Gesamthubraum brauchen im Vergleich zu Mehrzylindermotoren eine höhere Batteriekapazität, da der Anlasser für einen Verdichtungstakt ein höheres Drehmoment liefern muss. Das Drehmoment eines Starters wird wie das eines Motors durch den Hubraum bestimmt.
- Kraftstoffart: Dieselmotoren benötigen bei gleichem Hubraum wegen des höheren Verdichtungsdruckes einen größeren Akku.
- Elektrischer Verbrauch bei Fahrt: Starke elektrische Verbraucher beeinflussen die erforderliche Kapazität, da die Starterbatterie bei niedriger Generatordrehzahl und hohem Verbrauch (ggf. negative Ladebilanz) als Puffer dient. Einige Fahrzeughersteller liefern daher Fahrzeuge mit starken elektrischen Verbrauchern (z. B. Klimaanlage) serienmäßig mit einer stärkeren Starterbatterie aus.
- Elektrischer Verbrauch im Stand: Weiterhin wird durch elektrische Verbraucher, welche auch im Stand des Fahrzeuges aktiv sind (Diebstahlwarnanlage, Schlüsselloser Zugang etc.), die sog. Standzeit eines Fahrzeuges bis zum gerade noch erfolgreichen Motorstart (z. B. bei einem Motorrad nach dem Winter) verkürzt. Der Kapazitätsverlust der Batterie bei Nichtbenutzung des Pkw beträgt etwa 15–20 Ah pro Monat. Auch hier liefern einige Hersteller ihre Fahrzeuge mit stärkeren Batterien je nach elektrischen Verbrauchern aus.
Rücknahmegesetz für Starterbatterien in Deutschland
Nach dem seit 1. Dezember 2009 in Kraft getretenen Batteriegesetz (BattG) („Gesetz über das Inverkehrbringen, die Rücknahme und die umweltverträgliche Entsorgung von Batterien und Akkumulatoren“) besteht in Deutschland nach § 10 eine Pfandpflicht für Fahrzeugbatterien:
- „Vertreiber, die Fahrzeugbatterien an Endnutzer abgeben, sind verpflichtet, je Fahrzeugbatterie ein Pfand in Höhe von 7,50 Euro einschließlich Umsatzsteuer zu erheben, wenn der Endnutzer zum Zeitpunkt des Kaufs einer neuen Fahrzeugbatterie keine Fahrzeug-Altbatterie zurückgibt. Der Vertreiber, der das Pfand erhoben hat, ist bei Rückgabe einer Fahrzeug-Altbatterie zur Erstattung des Pfandes verpflichtet. Der Vertreiber kann bei der Pfanderhebung eine Pfandmarke ausgeben und die Pfanderstattung von der Rückgabe der Pfandmarke abhängig machen. Wird die Fahrzeug-Altbatterie nicht dem Pfand erhebenden Vertreiber zurückgegeben, ist derjenige Erfassungsberechtigte nach § 11 Absatz 3, der die Fahrzeug-Altbatterie zurücknimmt, verpflichtet, auf Verlangen des Endnutzers die Rücknahme ohne Pfanderstattung schriftlich oder elektronisch zu bestätigen. Ein Vertreiber, der Fahrzeugbatterien unter Verwendung von Fernkommunikationsmitteln anbietet, ist abweichend von Satz 2 zur Erstattung des Pfandes auch bei Vorlage eines schriftlichen oder elektronischen Rückgabenachweises nach Satz 4, der zum Zeitpunkt der Vorlage nicht älter als zwei Wochen ist, verpflichtet.“
- „Werden in Fahrzeuge eingebaute Fahrzeugbatterien an den Endnutzer ab- oder weitergegeben, so entfällt die Pfandpflicht.“
Bis 1. Dezember 2009 galt hier der § 6 der Batterieverordnung (BattV).
Rücknahmeverordnung für Fahrzeug-Altbatterien in Österreich
Nach § 12 der am 26. Dezember 2008 in Kraft getretenen Batterienverordnung (Verordnung des Bundesministers für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft über die Abfallvermeidung, Sammlung und Behandlung von Altbatterien und -akkumulatoren) können Letztverbraucher in Österreich die Fahrzeug-Altbatterien zumindest unentgeltlich zurückgeben. Rückgabemöglichkeiten sind der Letztvertreiber von Fahrzeugbatterien, bei vom Hersteller eingerichteten Sammel- und Verwertungssysteme oder bei Sammelstellen der Gemeinden (Gemeindeverbänden). Im Rahmen des Versandhandels ist der Letztvertreiber verpflichtet mindestens zwei öffentlich zugängliche Stellen je politischem Bezirk einzurichten und die Öffnungszeiten dem Letztverbraucher in geeigneter Weise bekannt zu geben.[18]
Umwelt
Nach dem Basler Übereinkommen wird eine gebrauchte Starterbatterie als gefährlicher Abfall betrachtet.[19] Eine Gefahr für Gesundheit und Umwelt ist das Recycling solcher alten Batterien in Entwicklungsländern, bei der das Blei von Hand wiedergewonnen wird.[20]
Literatur
- Jürgen Kasedorf, Richard Koch: Service-Fibel für die Kfz-Elektrik. Vogel Buchverlag, Würzburg 2001, ISBN 3-8023-1881-1.
- Rudolf Hüppen, Dieter Korp: Autoelektrik alle Typen. Motorbuchverlag, Stuttgart 1972, ISBN 3-87943-059-4.
- Adolf Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4. Auflage, 1965, Verlag Europa-Lehrmittel.
- Norbert Adolph: Autoelektronik / Grundlagen und Bauvorschläge. Verlagsgesellschaft Schulfernsehen, Köln 1979, ISBN 3-8025-1128-X.
- Bosch: Technische Unterrichtung Batterien. Robert Bosch GmbH, Stuttgart 1974, VDT-UBE 410/1 (Fachbroschüre).
- Konrad Reif: Batterien, Bordnetze und Vernetzung. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-1310-7.
Weblinks
- Bauarten von Autobatterien. auto-einbau.de, Jörg Böhmert
- Panther-Batteriewissen.
- Banner-Batterien Technischer Ratgeber.
- Used Lead Acid Battery Recycling. In: Top 10 – World’s Worst Pollution Problems. Blacksmith Institute/Grünes Kreuz Schweiz, 2008, abgerufen am 25. Februar 2021 (englisch, Über Recycling von Blei-Säure-Batterien und Folgen für die Umwelt).
Einzelnachweise
- Start-Stopp-System einfach erklärt. In: Banner Batterien. Abgerufen am 1. Juli 2021.
- Johnson Controls Power Solutions Europe: Ladeempfehlung AGM Batterien. (PDF) In: batteriedienst24.de, 21. März 2011
- Beschreibung Blei/Bleidioxid-System. Abgerufen am 5. Dezember 2021.
- CROMPTON, T.R (3rd Ed., 2000): Battery Reference Book (PDF; 33 MB), in Abschnitt: 18.1.4
- Bleiakku: Infos zu Aufbau, Funktionsweise, Laden und Wartung von Bleiakkumulatoren/Autobatterien/Starterbatterien. Abgerufen am 19. Februar 2022.
- ADAC Test: Leere Batterie durch Ruhestrom? Abgerufen am 19. Februar 2022 (deutsch).
- Leere Autobatterie: So vermeidet ihr eine Panne. Abgerufen am 19. Februar 2022 (deutsch).
- Überbrücken wie die Profis. In: spiegel.de. 20. November 2002, abgerufen am 4. Mai 2015.
- Zitat aus Ladesystem des Fahrzeugs. In: dvddemystifiziert.de
- Das magische Auge der Batterie. In: volkswagen-nutzfahrzeuge.de. Abgerufen am 19. Januar 2015.
- Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. 2., überarbeitete Auflage Februar 2019, Kapitel 2: Bleibatterien
- Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. 2., überarbeitete Auflage Februar 2019, Seite 55.
- Kälteprüfstromtabelle - Firma IMAG J. Mächler AG. Abgerufen am 19. Februar 2022.
- www.yuasa.de: Alles, was Sie über Batterien wissen müssen. Abgerufen am 19. Februar 2022 (englisch).
- www.yuasa.de: Die Spezifikationen verstehen. GS Yuasa Battery Germany GmbH, Krefeld, abgerufen am 19. Februar 2022 (englisch).
- Batteriehersteller: Bestimmte Batterien sind mit Kapazitätsangaben zu kennzeichnen. Abgerufen am 19. Februar 2022.
- www.yuasa.de: Die Spezifikationen verstehen. Abgerufen am 19. Februar 2022 (englisch).
- RIS: Gesamte Rechtsvorschrift für Batterienverordnung – Bundesrecht konsolidiert. In: ris.bka.gv.at, Fassung vom 27. Oktober 2014
- A1160 – Waste lead-acid batteries, whole or crushed (Memento vom 10. Oktober 2005 im Internet Archive)
- Top Ten der Umweltsünden: Was die Welt belastet. In: spiegel.de, 22. Oktober 2008