Warum ein Pufferakku?

Bei einer Photovoltaik- oder PV-Anlage kommt meist ein Akkumulator (kurz Akku) zur Zwischenspeicherung (Pufferung) der erzeugten elektrischen Energie zum Einsatz, weil der Bedarf bezogen auf den Zeitraum und die Menge (Abnahmeprofil) in der Regel nicht mit dem erzeugten Strom übereinpasst. Beispielsweise wird tagsüber bei hoher Energiegewinnung durch Sonnenlicht wenig oder kein Kunstlicht benötigt. Hingegen in der Nacht, wo keine Sonne als natürlicher Lichtspender zur Verfügung steht, ist Kunstlicht erforderlich und die erzeugte, elektrische Energie muss über Akkus bereitgestellt werden.

Für die mobile PV-Anlage setze ich ein kleines Solarpanel mit 50 W-Spitzenlast und 18 V Nennspannung ein. Zu dieser Leistungsgröße passen gut Akkus mit 12 V Nennspannung und einer Kapazität von 7,2 Ah (entspricht 7.200 mAh). Die 12 V Gleichspannung ist für diverse Kfz-Geräte gut nutzbar, wie z. B. Autoradios, Amateur- und CB-Funkgeräte, LED-Einbauleuchten für Wohnmobile und Wohnwagen. Außerdem können verbrauchsarme Geräte mit 230V-Spannungsversorgung per Wechselrichter angeschlossen werden. Darüber hinaus gibt es 12 V - Ladegeräte mit Kfz-Anschlussstecker, die eine Ladespannung von 5 V Gleichspannung für Tablets, Smartphones und Powerpacks bereitstellen. Weiterhin sind 12 V - Ladegeräte mit Kfz-Anschlussstecker für Mignonzellen (Größe AA) und Mikrozellen (Größe AAA) verfügbar, über die zahlreiche Kleinverbraucher, wie LED-Taschenlampen, LED-Campingleuchten, analoge und DAB+ Kofferradios, Handsprechfunkgeräte etc., versorgt werden können. 

Kfz-Anschlussbuchsen 12 V mit Krokodilklemmen

Bei größeren, elektrischen Verbrauchern muss entweder eine deutlich größere PV-Anlage oder ein kraftstoffbetriebenes Stromerzeugungsaggregat eingesetzt werden. Dies wäre beispielsweise notwendig, wenn eine Brunnenpumpe zur Frischwasserversorgung, eine Drainagepumpe zur Kellerentwässerung oder ein Kühlschrank versorgt werden soll. Eine Entwässerungspumpe mit einem Anschlusswert von 600 W ist technisch zumeist mit einem Kurzschlussläufer bestückt, dessen Anlaufstrom 5 bis 6mal so hoch wie die Nennlast ist.

USB-Ladegerät für AA u. AAA-Zellen, Kfz-Ladeadapter für USB-Anschluss

Alle Blei-Akkutypen (Blei-Säure, Blei-Gel oder Blei-Vlies) gehören alle zur gleichen Familie, nur der Aufbau bzw. die Beschaffenheit des Elektrolyts ist unterschiedlich. Übrigens wird einer Batterie gesprochen, wenn sich der Akku aus mehreren Zellen zusammensetzt, die in Reihe geschaltet sind. Bei einem Bleiakku mit 12 V sind es 6 Zellen mit je 2 V Nennspannung, deren Einzelspannungen sich zur Akku-Gesamtspannung addieren.

Oft wird in Internetbeiträgen für Blei-Säure-Akkus eine Überladefähigkeit beschrieben, weil verdunstete Elektrolyt-Flüssigkeit durch destilliertes Wasser nachgefüllt werden kann. Doch sind nach eigener Erfahrung „wartungsarme“ Akkus kaum noch im Betrieb bzw. am Markt zu beschaffen. Die meisten sind hingegen „wartungsfreie“ Akkus, die vollständig verschlossen sind. Die können bestenfalls entstehenden Überdruck durch Überladen und Gasen über ein Sicherheitsventil abbauen. Es besteht i. d. R. keine Möglichkeit der nachträglichen Befüllung. So ist auch der kleine Blei-Säure-Akku (5 Ah) meines Motorrollers keineswegs überladefähig und würde in diesem Falle Schaden nehmen.

Gewählter Akku für die mobile PV-Anlage

Für die mobile PV-Anlage fiel die Wahl auf den problemlos handhabbaren Blei-Vlies-Akku (AGM), der sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:

Vorteile:

• preisgünstig
• großes Marktangebot
• mittlere Lebensdauer (ca. 5 bis 8 Jahre)
• durch vollständige Verschließung und gebundenes Elektrolyt auslaufsicher
• hohe Zyklenfestigkeit (langsamer Kapazitätsabbau durch Ladezyklen)
• wenig temperaturempfindlich (Arbeitsbereich: ca. -40 bis 45 Grad Celsius, dadurch geringe Brand- und Explosionsgefahr)

Nachteile:

• Ladestrombegrenzung und Überladungsschutz für lange Akku-Lebensdauer notwendig
• hohe Selbstentladung (bis zu 50 % in 6 Mon.)
• höheres Gewicht und größere Abmessungen als Akkus gleicher Kapazität in Lithium-Ionen-Technik

Akku Blei-Vlies (AGM) - Multipower MP7.2-12

Tipps für den störungsfreien Betrieb

Egal, ob ein Blei-Akku als Starterbatterie oder wie hier als Pufferakku in einer PV-Anlage eingesetzt wird, ein paar grundsätzliche Tipps sollten bei "wartungsfreien" Akkus beachtet werden, damit ein störungsfreier Betrieb über viele Jahre sichergestellt ist:

• Grundsätzlich den Akku vor längerer Lagerung vollständig laden (z. B. bei Saisonbetrieb)
• Optimal ist die Lagerung bei ca. 20 Grad Celsius, hohe Umgebungstemperaturen (größer 30 Grad Celsius) führen zu einer deutlich schnelleren Selbstentladung
• Wenn am Akku angeschlossene Elektronik einen merklichen Eigenbedarf hat, sollte der Akku während der Lagerung abgeklemmt werden
• Bei Lagerung regelmäßige Prüfung der Akkuspannung im Leerlauf (ohne Last), da der Akku innerhalb von 6 Mon. bis zu 50 % seiner Ladung verliert (Selbstentladung)
• Schonendes Laden wird mit einer Ladestrombegrenzung und Abschaltung bei Erreichen der Ladeschluss-Spannung sichergestellt
• Eine Tiefentladung des Akkus (Spannung kleiner 11,0 V) ist unbedingt zu verhindern, weil sonst eine nachhaltige Beschädigung des Akkus droht
• Bei Akkuanschlussleitungen in Kfz immer die Masseleitung zuerst demontieren, damit versehentliche Kurzschlüsse vermieden werden (Karroserie führt das Masse-/Minuspol)
  

Welche Ladekriterien sind zu beachten?

Grundsätzlich sollten in diesem Zusammenhang die Herstellervorgaben des jeweiligen Akkus beachtet werden. Doch sind bei preiswerten Akkus nicht immer Ladevorgaben angegeben. Das gilt auch für die von mir beschafften Akkus, die Angaben begrenzen sich auf folgende Infos:

• Produkt: Multipower MP7.2-12Multipower-Akkus
• Nennspannung: 12,0 Volt, Kapazität: 7,2Ah (7.200mAh)
• Anschluss: Faston 4,8mm Steckkontakte
• VdS-Nr.: ja
• Maße (LxBxH): 151x65x102mm
• Gewicht: 2.678 Gramm

Für solche Fälle können folgende Näherungswerte („Daumenwerte“ für alle Blei-Akkus) angesetzt werden:

Näherungswerte für die Ladeschluss-Spannung:

• 14,4 V – Ladeschluss-Spannung für Ladezyklus (vollständiger Aufladevorgang)
• 13,8 V – Ladeschluss-Spannung für Erhaltungsladung

Bei manchen Akkus darf die Ladeschluss-Spannung von 13,8 V nicht überschritten werden, da sie sonst überladen werden. Ist seitens des Herstellers nichts angegeben, sollte vorsichtshalber der kleinere Wert 13,8 V gewählt werden, dann wird der Akku nicht beschädigt und ggf. nur etwas zu gering geladen. Berücksichtigen Sie die passende Ladeschluss-Spannung bei der Beschaffung des Ladereglers bzw. der Ladegeräte.

Näherungswerte für den Ladestrom:

• Der Ladestrom während des Ladezyklus sollte sich im Bereich von 0,05C bis 0,20C befinden
• Eine typische Empfehlung für den Ladestrom beträgt 0,1C

Der Koeffizient 0,1C entspricht 1/10 bzw. 10 % der Akku-Nennkapazität. Dies bedeutet bei einem 7,2 Ah Akku einen Ladestrom von 720 mA über 10 Stunden Ladezeit. Der Ladestrom sollte idealerweise über die gesamte Ladedauer konstant gehalten werden. Der Ladevorgang ist nach der Ladezeit zu beenden. Wird der Akku nach dem Ladezyklus nicht unmittelbar wieder entladen, sondern z. B. länger gelagert, sollte im Anschluss eine andauernde Erhaltungsladung zugeführt werden. So wird die Selbstentladung des Akkus ausgeglichen. Gesteuerte Laderegler und Ladegeräte können dieses Lademanagement leisten.

Näherungswerte für den Ladezustand (Akku-Nennspannung 12 V):

• 12,8 V und höher - 100 % Ladung
• 12,4 V – 75 % Ladung
• 12,1 V – 50 % Ladung
• 11,8 V – 30 % Ladung
• 10,5 V und geringer – 0 % Ladung = Tiefentladung (kritischer Zustand!)

Die genannten Spannungswerte können leicht mit einem handelsüblichen Vielfachmessgerät ermittelt werden. Der Akku ist im unbelasteten Zustand zu messen (ggf. Akku abklemmen). Für eine lange Lebensdauer sollte der Akku maximal bis zu einem Restwert von 30 % seiner Ladung entladen werden.

Wie sollte ein Laderegler für eine mobile PV-Anlage ausgeführt sein?

Bei einer komplexen, stationären PV-Anlage würde sich sicherlich die Frage nach einem Laderegler mit PWM- (Pulsweitenmodulation) oder MPPT- (Maximum Powerpoint Tracking) Verfahren stellen. Doch die sind schwer, haben große Abmessungen und kosten relativ viel Geld (ab ca. 100 EUR).

preiswerter, kleiner Laderegler (PWM-Verfahren, bis 10 A)

So fiel die Wahl im ersten Testaufbau auf einen preisgünstigen, kleinen und leichten Laderegler im Bundle mit einem Solarmodul. Der erste Eindruck war gut: Er ist sehr einfach aufgebaut; 6 LED zeigen den Ladestatus an. Der Akkutyp Blei-Vlies (AGM) ließ sich einstellen. Der Anschluss von Solarpanel, Akku und Verbraucher (hier Kfz-Anschlussdosen) ist sehr einfach durchzuführen; die jeweils erforderlichen 2 Anschlussklemmen sind auf dem Gerät gekennzeichnet.

Im Testbetrieb fiel der hohe Eigenbedarf von ca. 50 mA auf (vom Hersteller angegeben sind 5 mA), die vom Ladestrom des Akkus abgehen. Offenbar wurde als Status-LED keine low-current-Ausführung verwendet. Das allein wäre noch akzeptabel. Doch der Laderegler beendete selbst nach Überschreiten einer Batteriespannung von 15 V nicht seinen Ladevorgang, so dass eine Überladung und Gasung droht. Irritiert von diesem Verhalten habe ich nach einem alternativen günstigen Laderegler Ausschau gehalten. Doch in den Rezensionen anderer Geräte wurde ebenfalls von diesem Verhalten berichtet. Also habe ich diese Kategorie von Ladereglern verworfen.

Laderegler Kemo (bis 10 A) auf Alu-Montageplatte

So fiel die Wahl auf den einfach gehaltenen Laderegler Kemo M149N. Dieser Laderegler wird zwischen das Solarpanel 12 V (Leerlaufspannung 14 bis 30 V) und den Akku geschaltet, um ein Überladen des Akkus zu verhindern. Der CMOS-Transistor schaltet den Ladevorgang bei einer Batteriespannung von ca. 14,4 V ab und bei Absinken der Batteriespannung von unter ca. 13,4 V wieder ein (Schalthysterese). Es gibt lediglich zwei Status-LED: Eine LED für "Akku lädt" (Charging) und eine LED für "Akku voll" (Battery Full). Beide sind offensichtlich als low-current-LED ausgeführt und haben einen geringen Eigenbedarf. Die dadurch entsprechend dunkle Anzeige ist bei Sonnenlicht schwerer zu erkennen. Es ist zusätzlich eine Sicherung zwischenzuschalten. Der maximale Eingangsstrom beträgt 10 A. Die Schaltung des Moduls ist mit dem Gehäuse vergossen. Somit kann sie nicht repariert werden, ist aber dafür feuchtigkeitsgeschützt. Leider lässt sich die Ladeschluss-Spannung nicht einstellen, doch kann ggf. durch Zwischenschalten einer Siliziumdiode (z. B. 1N5408 1000 V / 3 A) die Spannung am Akku um ca. 0,6 V reduziert werden. Ich habe den Laderegler nebst Steckbuchsen und Anschlussklemmen auf ein kleines Alu-Montageblech aufgebracht, so sind die ebenfalls vergossenen Anschlussleitungen gegen Kabelbruch entlastet.

Im Testbetrieb hat das Kemo-Modul seine Funktion erfüllt und nach Erreichen der Ladeschluss-Spannung zwischen 13,4 und 14,4 V gependelt (getoggelt). Dadurch kann im andauernden Betrieb eine Selbstentladung ausgeglichen werden. Der Laderegler bietet selbst keine Ladestrombegrenzung. Doch erreicht der Ladestrom des gewählten Solarpanels selbst bei idealer Ausrichtung und direktes Sonnenlicht maximal ca. 1,7 A. Das ist etwas höher als der Koeffizient 2C (2 x 720 mA = 1,42 A), doch noch akzeptabel. Für die mobile PV-Anlage habe ich zwei Akkus beschafft, die abwechselnd geladen und entladen werden. Auf diese Weise können die Vorgänge (Zyklen) besser überwacht werden, als wenn beide Vorgänge gleichzeitig zugelassen werden.

Welche alternativen Ladegeräte gibt es zum Nachladen?

Ungeregeltes Ladegerät

Vor 20 Jahren habe ich noch gern mein ungeregeltes Ladegerät vom Hersteller Absaar bei Starterbatterien in Kfz eingesetzt. Der primitive und sehr haltbare Aufbau des Gerätes stellt einen Einsatz über viele Jahrzehnte sicher. Doch moderne Akkus können durch zu hohen Ladestrom und / oder Überladung leicht Schaden nehmen. Für vollständig verschlossene Blei-Akkus sind diese Geräte nicht geeignete.

Geregeltes Ladegerät

Ich habe seit mehreren Jahren für den kleinen Blei-Säure-Akku meines Motorrollers ein geregeltes Ladegerät mit 700 mA Ladestrom und konventionellen Transformator im Betrieb, das automatisch nach vollständiger Ladung auf Erhaltungsladung umschaltet. Die Ladeschluss-Spannung beträgt 14,4 V.

Ein zweites, geregeltes Steckerladegerät für Blei-Akkus des Herstellers Ansmann mit einem Ladestrom von 400 mA habe ich seit kurzem parallel in Betrieb. Es ist mit einem heute üblichen Schaltnetzteil versehen, wodurch es ein viel geringeres Gewicht hat. Die Ladeschluss-Spannung beträgt 13,8 V. Die Dauerhaftigkeit muss es noch beweisen: Nach dreimaligen Laden waren die Status-LEDs teilweise ausgefallen. Ersatz wurde vom Lieferanten zum Glück schnell geliefert.