Elektrik: Das Trennrelais und seien Alternativen

Hier solltest du als Erstes nachschauen, falls du eine Frage hast, denn Antworten auf die häufigsten Fragen sind hier ausführlich beantwortet.
Auch ist die Wissensbasis der perfekte Einstieg, um Grundlagen rund um den Wohnmobil-(Aus)Bau zu erfahren...
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Krabbe
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Elektrik: Das Trennrelais und seien Alternativen

#1 Beitrag von Krabbe » Mi 10 Jan 2007 16:04

Das Trennrelais und seine Alternativen.

Üblicherweise hat man im Wohnmobil zwei Niederspannungsstromkreise (12 V o. 24 V) mit jeweils eigenen Batterien. Zum einen den eigentlichen Stromkreis des Basisfahrzeug und zum anderen den Stromkreis des Wohnaufbaus. Diese Stromkreise werden separat aufgebaut, damit im Stand (beim wohnen) nur die Batterie für den Wohnteil zu entladen wird und die Starterbatterie des Basisfahrzeugs voll bleibt, so dass das Fahrzeug nach dem Aufenthalt wieder gestartet werden kann. Ein weiterer Vorteil der Trennung ist der, das für die verschiedenen Einsatzzwecke auch verschiedene Batterien eingesetzt werden können.

Da die Lichtmaschine in fast allen Fällen im normalen Betrieb ausreichen dimensioniert ist, um noch eine weitere Batterie zu laden will man nun meist die Wohnraumbatterie bei laufendem Motor von der Lichtmaschine des Basisfahrzeugs mit laden lassen. D. h. die beiden Stromkreise sollen bei laufendem Motor verbunden werden, bei stehendem Motor getrennt werden. Dazu gibt es verschiedene Lösungen, die hier Vorgestellt werden sollen.

Das Trennrelais
Dies geschieht im Wohnmobil üblicherweise durch ein sogenanntes Trennrelais.
Dabei handelt es sich meist um ein normales Relais, was im Gegensatz zum üblichen KFZ-Relais, welches für Ströme von 30 A ausgelegt ist, für höhere ströme ausgelegt ist. Üblich, gerade in Serienmobilen und Kastenwagen sind Relais für Ströme von 70 A. Diese gibt es u.a. im Campinghandel, z. B. von Calira. Es gibt jedoch auch Relais für 100 A Dauerstrom bzw. 170 A Spitzenlast und größer, ein verbreiteter Hersteller ist Nagares, deren Relais oft bei Ebay zu finden sind. Von Einsatz von Relais kleiner 70 A sollte man Abstand nehmen.
Ich habe bei mir ein Relais von Nagares eingebaut, u. a. auch, weil es über Schraubanschlüsse verfügt, an die man Leitungen mit größerem Querschnitt, wie sie bei solchen Strömen zum Einsatz kommen sollten, besser anschließen kann, da es Rundösen im Gegensatz zu Flachsteckern für jeden Leitungsquerschnitt gibt.
Achten sollte man darauf, dass das Trennrelais über eine Löschdiode (auch Schutzdiode genannt) verfügt. Dis schützt die KFZ-Elektronik vor Spannungsspitzen, die beim abschalten des Relais durch induzierte Spannungen entstehen. Wenn das Relais über keine Löschdiode verfügt, dann sollte man eine solche extern anschließen, und zwar parallel zur Spuhle (zwischen Steuerleitung und Masse) und zwar so herum, das die Durchlassrichtung von Masse Richtung Steuerleitung wäre.

Angesteuert wird das Trennrelais normalerweise vom D+ Kontakt der Lichtmaschine. An diesem liegt Spannung an, wenn der Motor so hoch dreht, dass die Batteriekontrollleuchte des Basisfahrzeugs aus geht und die Lichtmaschine einen Ladestrom liefert. Üblicherweise ist die D+ -Leitung eine dünne blaue Leitung, die von der Lichtmaschine zur Ladekontrollampe führt. Die beiden Leitungen, die die beiden Stromkreise verbinden, schließt man meist an den Pluspolen der Batterien an, da dies am einfachsten ist. (Zur Verschaltung eines Trennrelais s. a. den Beitrag zur 12 V Stromversorgung)

Neben den „einfachen“ Trennrelais gibt es auch sogenannte „elektronische Trennrelais“, die ohne Steueranschluss auskommen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Ladespannung der Lichtmaschine immer höher ist, als die maximale (Leerlauf)Spannung einer Batterie. Diese Trennrelais verfügen über eine Elektronik, die die Spannung misst und das Relais schaltet, wenn eine bestimmte Spannung erreicht wird. Beispielsweise werden beide Batterien bei 13,7 V zusammen geschaltet und getrennt, wenn die Spannung auf 12,8 V absinkt.

Vorteil von Trennrelais:
Preiswerte, einfache Konstruktion.
Einfache Installation
Die Lichtmaschinenspannung liegt nahezu in voller Höhe an den Batterien an

Nachteil von Trennrelais:

Da durch das Trennrelais beide Stromkreise (und damit Starterbatterie und Aufbaubatterie) zusammen geschaltet werden kann es zu (sehr hohen) Verschiebeströmen zwischen den beiden Batterien kommen, wenn eine voll und die andere leer ist.
Sollte das Basisfahrzeug nur eine sehr kleine Lichtmaschine haben und durch viele eingeschaltete Verbraucher ein höherer Strombedarf vorhanden sein, als die Lichtmaschine zu liefern mag, dann wird nicht nur die Starterbatterie entladen, sondern die Aufbaubatterie ebenso.

[Anm. des Autors: Meine persönliche Meinung dazu ist, das diese Verschiebeströme (insbesondere bei Ansteuerung des Relais über D+) nicht schlimm sind, bzw. nicht sehr hoch sind oder nicht sehr lange dauern. Begründung (meine Meinung): Ein Verschiebestrom oder Ausgleichsstrom fließt zunächst einmal bei einem unterschiedlichen Potential (bei unterschiedlichen Spannungen). der beiden Batterien Da beide Batterien jedoch wegen der Ansteuerung durch D+ erst zusammen geschaltet werden, wenn die Lichtmaschine läd kommt es dazu, das es in dem System eine dritte Spannungsquelle gibt (die Lichtmaschine) welche eine noch höhere Spannung liefert, als die volle Batterie. Somit besteht ein Potentialgefälle von der Lichtmaschine zu beiden Batterien und der Strom fließt somit primär von der Lichtmaschine zu den Batterien und nicht zwischen den Batterien.
Da die Ströme von der Lichtmaschine in Ihren Höhe durch die Leistung der Lichtmaschine begrenzt sind kann es auch bei einer leeren Batterie nicht zu unzulässig hohen Strömen kommen.
Etwas anders kann es aussehen, wenn eine der Batterien aufgrund eines kapitalen Defektes einen Kurzschluss aufweist.
Sollte jemand diese Ansicht von mir widerlegen können bitte ich um PN bzw. fundierte Diskussion im Forum.

Zum Entladen der Zweitbatterie bei zu hohem Stromverbrauch sehe ich das so, dass dies zum einen nicht, oder nur in Extremsituationen vorkommen sollte, da die Lichtmaschinen heute im allgemeinen ausreichend groß dimensioniert sind. Zum anderen kann ein einfaches Voltmeter hier schon ausreichend Informationen liefern, ob dieser Fall eintritt und man kann ggf. Verbraucher ausschalten. Meiner Meinung nach kann dies i.d.R. nur vorkommen, wenn man z. B. Nachts fährt und dabei Fernlicht, Zusatzscheinwerfer, Radio, Endstufe, Kühlschrank und Sitzheizung gleichzeitig an hat, und dann womöglich noch nach einem längeren Start o. Vorglühvorgang die Starterbatterie leer ist.
Bei meinem ersten T3 (einem der ersten von ´79, mit relativ kleiner Lichtmaschine) hatte ich das mal untersucht. Die Lichtmaschinenspannung sank auf ca. 12,5 – 12,8 V wenn ich gleichzeitig Absorberkühlschrank, Radio, Endstufe, Fernlicht und Zusatzfernlicht einschaltete. Somit wurden zwar die Batterien nicht mehr geladen, aber auch noch nicht entladen.




Alternativen zum Trennrelais:

Diodenverteiler

Diodenverteiler findet man häufig auf Booten bzw. Yachten. Wie der Name quasi schon sagt wird hierbei der Ladestrom der Lichtmaschine mittels (Hochstrom-)Dioden verteilt.
Dabei kommt es nicht zu einem direkten Zusammenschalten der beiden Batterien (Stromkreise) und somit können auch keine Verschiebeströme zwischen den Batterien fließen.

Funktion:
Dioden sind elektronische Bauelemente, die einen Stromfluß nur in eine Richtung zulassen und in die andere Richtung sperren, ähnlich eines Rückschlagventils in einer Wasserleitung.
Der Diodenverteiler besteht nun im Prinzip aus zwei Dioden und einem Kühlkörper. Die Dioden sind an den Eingängen zusammen geschaltet. Hier wird die Lichtmaschine angeschlossen. An die beiden Ausgänge kommt jetzt je eine der Batterien.
Die bisher bestehende direkte Verbindung der Lichtmaschine zur Starterbatterie des Basisfahrzeugs wird getrennt.
Wenn nun die Lichtmaschine Strom liefert, dann fließt dieser zum Diodenverteiler und wird hier auf die beiden Batterien verteilt, wobei die leerere Batterie stets den höheren Ladestrom abbekommt.

Bis hier hört sich das ganze noch ganz gut an, oder? Aber... wo Licht gibt, da gibt es auch Schatten. Beim Diodenverteiler ist es der Spannungsabfall in den Dioden. Das bedeutet, das die Spannung hinter den Dioden (je nach Diodenart und der Höhe des fließenden Stroms) zwischen 0,5 V und 1,8 V niedriger ist, als die Lichtmaschinenspannung. Dadurch kommt es dazu, dass die Batterien nicht mehr voll geladen werden da die Ladeschlussspannung nicht erreicht wird, oder sogar gar nicht mehr geladen werden, wenn einige Verbraucher eingeschaltet sind und die Bordspannung dadurch weiter absinkt.
Üblicherweise wird von den Vertreibern dieser Trenndioden nun der Einbau einer „Kompensationsdiode“ am Masseanschluss des Lichtmaschinenreglers empfohlen, der die Lichtmaschinenspannung um 0,7 V anheben soll. Üblicherweis wird dann auch immer nur von 0,7 V Spannungsabfall im Diodenverteiler gesprochen, so als ob dieser Wert eine konstante ist. Dies ist er aber nicht, der Spannungsabfall ist von der Höhe des fließenden Strom abhängig. Und hier liegt nun zum einen die Krux. Über die Kompensationsdiode fließt nur ein sehr geringer Strom. Daher ist der Spannungsverlust auch nur sehr gering. Über den Diodenverteiler fließt aber (insbesondere bei leeren Batterien und/oder vielen eingeschalteten Verbrauchern) ein höherer Strom und somit gibt es eine höheren Spannungsabfall. Somit kann es immer noch dazu kommen, dass die Batterien nicht oder nur unzureichend geladen werden.
Es werden auch spezielle Lichtmaschinenregler angeboten, die die Batteriespannung messen, um die Lichtmaschinenspannung entsprechend des wirklichen Spannungsverlustes zu regeln. Nur kann dies auch nicht funktionieren, da hier nur die Spannung von einer Batterie als Referenzspannung dienen kann. Wird nun die Spannung der Starterbatterie genommen, dann kann es aufgrund des relativ hohen Stromverbrauchs durch die Fahrzeugelektrik dazu kommen, dass trotz voller Batterien ein hoher Strom zur Bordelektrik fließt (Fahrt mit Fernlicht, Kühlerlüfter läuft, usw.) und somit ein hoher Spannungsabfall in diesem Zweig der Trenndiode vorliegt. Dementsprechend wird die Lichtmaschinenspannung um bspw. 1,7 V angehoben auf ca. 16,1 V. Wenn nun die Aufbaubatterie schon relativ voll geladen ist und keine sonstigen großen Verbraucher betrieben werden, dann gibt es diesem Zweig des Diodenverteilers nun nur einen Spannungsverlust von bspw. 0,8 V. Dadurch erhält die Aufbaubatterie nun eine Ladespannung von 16,1 V– 0,8 V=15,3 V, womit die Batterie mit einer unzulässig hohen Spannung im Gasungsbereich geladen wird.

Ein Diodenverteiler kann daher meiner Meinung nach nur dort sinnvoll eingesetzt werden, wo die elektrischen Verbraucher in beiden Stromkreisen annähernd gleich groß sind bzw. wo es keine alzu großen Stromverbraucher in der Bordelektrik gibt. Dies kann z. B. auf Motoryachten der Fall sein, mit denen überwiegend Tagsüber gefahren wird (also ohne Licht), deren Motoren keinen großen Kühlerlüfter haben, da sie vom Wasser gekühlt werden und auf denen auch sonst keine großen sonstigen elektrischen Verbraucher während der Fahrt betrieben werden. Hier dürfte eine Anhebung der Lichtmaschinenspannung durch eine Kompensationsdiode ausreichend sein, da mit zunehmendem Ladezustand der Batterien der fließende Ladestrom absinkt und damit auch der Spannungsverlust des Diodenverteilers sinkt, so dass sich zum Ladeschluss hin auch hier ein Spannungsverlust von ca. 0,7 V in beiden Stromkreisen einstellen dürfte.

Verlustfreie Diodenverteiler gibt es entgegen der Werbeaussagen gewisser Firmen nicht. Wenn diese Diodenverteiler Verlustfrei wären, warum weisen sie dann trotzdem entsprechend große Kühlkörper bzw. Kühlrippen auf? Doch wohl, weil der Spannungsabfall in den Dioden als Erwärmung derselben in Erscheinung tritt und diese Wärme mittels Kühlkörper/Kühlrippen an die Umgebung abgeführt werden muß.


Vorteile:
Keine Verschiebeströme (Ausgleichsströme) zwischen den Batterien.
Relativ Kostengünstig

Nachteile:
Spannungsabfall der Dioden, der im Wohnmobil nicht vernünftig ausgeglichen werden kann.



Ladestromverteiler

Auch Power-MOSFET-Ladestromverteiler oder Power-MOSFET-Trennrelais genannt. Funktionieren ähnlich wie Trenndioden, nur sind statt Dioden MOSFET-Transistoren eingebaut, die durch Elektronik aktiv angesteuert werden müssen.
Auch bei MOSFET-Transistoren gibt es einen Spannungsabfall, der abhängig vom fließenden Strom ist, nur gibt es für diesen Spannungsabfall keinen Mindestwert. D. h. mit sinkendem Strom geht der Spannungsabfall gegen 0V.
Sofern keine weiteren elektrischen Verbraucher in einem Stromkreis eingeschaltet sind erhält eine Batterie kurz vor Ladeende daher die volle Lichtmaschinenspannung, nur dauert der Ladevorgang länger, als ohne Ladestromverteiler (z. B. bei Einsatz eines Trennrelais). Problematisch bleibt der Spannungsabfall im Stromkreis der Bordelektronik des Basisfahrzeugs, wenn aufgrund der eingeschalteten Verbraucher auch zum Ladeende der Starterbatterie hin konstant ein höherer Strom fließ und somit ein Spannungsabfall weiterhin bestehen bleibt.
Eine Kompensationsdiode macht beim Ladestromverteiler keinen Sinn, da sonst die Ladespannung bei geringem Strom unzulässig hohe Werte erreichen würde.

Vorteile:
Keine Verschiebeströme zwischen den Batterien
Im Gegensatz zu Diodenverteilern sinkt der Spannungsabfall bei abnehmendem Strom bis gegen 0.

Nachteile:
Hoher Preis
Bei zusätzlichen Verbrauchern kann es durch den Spannungsabfall dazu kommen, dass Batterien nicht komplett geladen werden.
Durch geringere Ladespannung bei höheren Ladeströmen längere Ladezeit.


Trenn-MOSFET

Im Prinzip ein elektronisches Trennrelais mit MOSFETs. Der Einbau erfolgt wie beim Trennrelais zwischen den Pluspolen der beiden Batterien. Wie beim elektronischen Trennrelais werden ab einer gewissen Spannung die beiden Batterien zusammen geschaltet. Neu ist jedoch, dass die Spannungen von Starterbatterie und Aufbaubatterie verglichen werden und sollte die Starterbatterie eine geringere Spannung als die Aufbaubatterie haben werden beide Stromkreise wieder getrennt, damit die Aufbaubatterie nicht entladen wird.

Die persönliche Meinung des Verfassers: Kein Vorteil gegenüber einem elektronischen Trennrelais, da dies auch abschalten müsste, wenn die Aufbaubatterie eine höhere Spannung hat, als die Starterbatterie, da dann die Spannung auf der Seite der Starterbatterie (mit der Lichtmaschine9 schon auf unter 12,8 V abgefallen sein muss und auch ein elektronisches Trennrelais schon abgeschaltet hat.



Das hwk-Ladeprinzip

Ich benenne es mal so nach dem Forumsmitglied hwk, da ich es von ihm kenne.
Hierbei wird die Aufbaubatterie nicht direkt von der Lichtmaschine geladen, sondern indirekt, über einen Wechselrichter und das sowieso verbaute Ladegerät.
Hierzu wird ein Wechselrichter mit einem entsprechend dimensionierten Trennrelais an die Lichtmaschine bzw. an die Starterbatterie angeschlossen. Das Trennrelais wird ganz normal über D+ angesteuert. An den 230 V-Ausgang des Wechselrichters wird ein Automatik-Ladegerät angeschlossen, wie es i.d.R. sowieso im Wohnmobil vorhanden ist. Somit wird die Batterie auch während der Fahrt mit dem normalen Ladegerät entsprechend der Ladekennlinie aufgeladen. Mit einem entsprechenden Ladegerät sind so die Temperaturkompensation der Ladeschlussspannung usw. möglich.
Beachten muss man, dass hierbei nur ein hochwertiger und entsprechend groß dimensionierter Wechselrichter zum Einsatz kommen darf. Dieser sollte möglichst nah an der Starterbatterie verbaut werden, um die Leitungsverluste klein zu halten.
Der Einbau eines Voltmeters für die Starterbatterie ist sinnvoll, da es bei einem großen Ladegerät und leerer Aufbaubatterie in Verbindung mit den Verlusten von Wandler und Ladegerät eher dazu kommen kann, dass die Lichtmaschinenleistung bei zu kleinen Lichtmaschinen nicht zur Versorgung aller Verbraucher ausreicht und daher die Starterbatterie entladen wird, um die Aufbaubatterie zu laden. Dadurch dass die Batterien nicht direkt miteinander verbunden sind kann es auch dazu kommen, dass die Starterbatterie tiefer entladen wird, als die Aufbaubatterie. Dies kann z. B. beim reinen Zusammenschalten mittels Trennrelais nicht passieren. Wobei anzumerken ist, dass diese Gefahr eher theoretischer Natur ist. In der Praxis hat die Lichtmaschinen im Normalfall ausreichende Reserven, um eine Batterie so problemlos zu laden. Bei relativ alten Basisfahrzeugen wäre die Gefahr eher gegeben. Ein ausreichend dimensioniertes elektronisches Trennrelais bzw. ein Wandler mit Spannungswächter kann hier im Zweifelsfall auch eine Gefahr für die Starterbatterie ausschließen.

Eine alternative bzw. Abwandlung des hwk-Ladeprinzps wäre es eine separate 230 V Lichtmaschine an den Motor anzubauen und mit diesem das Ladegerät zu betreiben. Somit würde die Starterbatterie auch nicht entladen.

Vorteile:
Die Batterie wird entsprechend der Ladekennlinie geladen.
Die Batterie wird bei entsprechend langer Fahrtdauer voll geladen, da bis zur notwändigen Ladeschlussspannung geladen werden kann.
Bei einem entsprechenden Ladegerät besteht die Gefahr einer zu hohen Ladeschlussspannung bzw. des Gasens nicht mehr.
Ausreichende Ladespannung, auch bei langen Leitungswegen zwischen Lichtmaschine und Aufbaubatterie.
Das System kann auch angewendet werden, wenn die Basis eine 24V-Anlage hat und der Aufbau auf 12V ausgelegt ist.

Nachteile:
Relativ große Verluste durch Wechselrichter und Ladegerät (diese können bis über 30% betragen). Bei ausreichender Lichtmaschinenleistung stellt dies aber kein Problem dar.
Teure Lösung, wenn nicht sowieso ein entsprechender Wechselrichter vorgesehen ist.
Erhöhter Schaltungs- und Installationsaufwand.
Zumindest theoretische Gefahr des Tiefentladens der Starterbatterie. Kann aber ggf. mit einem elektronischen Trennrelais verhindert werden, da dies früh genug abschalten würde.



Weitere Alternativen kurz dargestellt

Manueller Batterietrennschalter (Z. B. „Natoknochen“): Hierbei wird zwischen die beiden Batterien ein für entsprechende Ströme geeigneter Schalter installiert, der manuell geschaltet wird. Z. B. Um nach dem Start des Fahrzeugs auf den ersten Kilometern zunächst nur die Starterbatterie zu laden und dann erst später die Zweitbatterie zuzuschalten. Es besteht die Gefahr das Ausschalten im Stand zu vergessen und dann die Starterbatterie im Stand mit zu entladen. Vorteilhaft ist, dass man bei ausreichend dimensionierten Kabeln u. Schaltern die Aufbaubatterie im Notfall direkt zur Starthilfe nutzen kann.

Spezielle Hochleistungslichtmaschinen: Sollen sehr hohe Ströme liefern und die Batterien schnell laden. Funktioniert aber nur bei entsprechend großen Batteriebänken, da der maximale Ladestrom, den eine Batterie aufnimmt, nicht von der Leistung der Stromquelle, sondern vom Ladezustand und damit vom Innenwiderstand der Batterie abhängt.

Lichtmaschinenladegeräte: Spezielle Ladegeräte, die an die Lichtmaschine angeschlossen werden (und teilweise? den Laderegler ersetzen) mit denen eine oder zwei Batterien entsprechend einer Ladekennlinie geladen werden sollen. [k][Anm.: In dieses Thema muss ich mich noch weiter einarbeiten, dann folgt eine ausführlichere Vorstellung mit Vor- und Nachteilen][/k]

Zusätzliche Lichtmaschine: Zum Laden der Aufbaubatterie während der Fahrt kann auch eine zusätzliche Lichtmaschine angebaut werden. Somit wären beide Stromkreise dauernd getrennt. Diese Lösung ist auch eine Möglichkeit bei einem Basisfahrzeug mit 24V-Anlage eine Aufbaubatterie in einer 12V Anlage zu laden.




Allgemeine Anmerkungen zum Laden der Aufbaubatterie über die Lichtmaschine

Die Lichtmaschine liefert im Idealfall eine feste Spannung, um die Batterie zu laden. Es erfolgt keine Temperaturkompensation der Ladespannung. Dies ist nicht optimal zum Laden einer Bleibatterie, insbesondere nicht zum Laden einer zyklenfesten Bleibatterie oder gar einer Blei-Gel-Batterie, da die Batterien so im allgemeinen nie ganz voll geladen werden, zumal die Fahrzeit meist auch nicht ausreicht um eine leere Aufbaubatterie vollständig zu laden. Deshalb sollte die Aufbaubatterie zumindest regelmäßig mit einem guten Ladegerät oder über die Solaranlage zu 100% voll geladen werden. Andererseits besteht bei entsprechenden Temperaturen die Gefahr des Überladens und Gasens der Batterie.



© by Krabbe



Sollten jemandem noch weitere Möglichkeiten oder spezielle Ladeeinrichtungen einfallen, so bitte ich darum mir diese mitzuteilen.

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