China-Aufwärtsregler mit FP5139

China-Spannungswandler ohne Keramikkondensatoren

Blei-Gel-Akkus in den Keller verbannen

In dieser Website wird deutlich, dass ich mich viel mit netzunabhängigem Betrieb im Shack beschäftige. In diesem Zusammenhang gibt es kaum Alternativen zu Blei-Akkus: Speziell wenn man sich auf gebrauchte Akkus einlässt, sind alle Alternativen um einen größeren, ganzzahligen Faktor teuerer. Mir geht es ja auch nicht darum, möglichst viel Solarstrom zu ernten und zu speichern, um meine Stromrechnung zu reduzieren. Mein Ziel ist, im Ernstfall möglichst lange Notfunk betreiben zu können, ohne lokale Infrastruktur zu brauchen.

"Absurde" Konstruktionen

Bei mir stehen Konstruktionen, die unter normalen Gesichtspunkten als völlig absurd erscheinen. So habe ich die meisten meiner Akkus in den Keller verbannt. In den Shack führt ein Kabel mit zweimal 4 mm² Querschnitt und 0,4 Ω Innenwiderstand. 2,5 A Strom sorgen da schon für 1 V Spannungsabfall. Die Absurditäten gehen weiter: Jeder meiner 110-Ah-Akkus ist mit 5 A abgesichert. Unterstellen wir, dass diese Akkus jeweils noch die halbe Kapazität haben, brauche ich zum Entnehmen der kompletten Ladung mindestens 10 Stunden.

Allerdings muss man da beachten, dass ich sechs Akkus parallel geschaltet habe und jeder mit 5 A abgesichert ist. In der Summe sind das 30 A und stärker konnte ich die erwähnte Leitung nicht absichern: Die Leitung hat 0,4 Ω Innenwiderstand und ein Kurzschluss irgendwo an der Leitung muss die Sicherungen auslösen können.

Warum so kompliziert?

Zu den Nachteilen von Bleiakkus gehören Größe und Gewicht. Zudem mag es jede Form von nasser Chemie lieber kühl und auch mein Shack liegt unter dem Dach. Deshalb läuft bei mir seit mittlerweile einem Jahr folgende Konstruktion:

• Im Shack habe ich einen 30-Ah-Blei-Gel-Akku stehen, den ich letztes Jahr gebraucht am Flohmarkt (für die Hiesigen: in Attaching) für 30 € gekauft habe. Damit decke ich den aktuellen Strombedarf der Station. Da hängen mein Solar-Laderegler und die Leitung in den Keller dran. Die Leitung in den Keller ist hier übrigens nur mit 10 A abgesichert.
• Mein Solar-Laderegler liefert bei bedecktem Himmel nur ein paar 100 mA. Da spielen die 0,4 Ω in den Keller keine große Rolle. Der Ladestrom teilt sich sinnvoll auf.
• Wenn die Sonne scheint, kommen bis zu 6 A (knapp 90 W) aus dem Laderegler – so habe ich das eingestellt. Dann dauert es so typisch 4-6 Stunden, bis der Akku im Shack voll ist. Der Laderegler schaltet dann in den Absorbtionsbetrieb, wo er bis zu 2 Stunden lang 14.6 V an den 30-Ah-Akku legt. Die Akkus im Keller haben eine viel größere Kapazität und sind dann in aller Regel noch längst nicht voll. Ich habe also 1 V oder noch mehr Spannungsdifferenz. Da fließen dann freiwillig schon mal 3 A in den Keller.
• Das hier beobachte ich gerade genau, um es automatisieren zu können: Spätestens wenn der Laderegler in den Erhaltungsbetrieb umschaltet und nur noch 13,8 V liefert, schalte ich einen meiner China-Spannungsregler an die Leitung in den Keller. Dieser Regler ist am Ausgang eingestellt auf max. 15 V und max. 3 A. Wenn die Akkus im Keller eine Klemmenspannung von 14.6 V erreicht haben, fließt noch ein Ladestrom von 1 A in den Keller. Dann hänge ich den Spannungsregler wieder ab.

So funktioniert meine Solar-Stromversorgung

Im besten Fall dimensioniert man den Akku im Shack so, dass er die gesamte Leistung der Solarmodule aufnehmen kann. Damit meine ich nicht nur die Begrenzung des Ladestroms, typisch auf I₁₀, sondern auch den Großteil des Stromüberschusses, der an einem Tag geerntet werden kann. Im Detail beobachte ich folgende Vorgänge:

Im normalen Betrieb verbrauche ich einen guten Teil des Solarstroms, bis zu 3 A auf 12-V-Niveau, in meinem Notebook. Mein FT-817 braucht im Ruhezustand 300 mA und mein USB-Ladegerät braucht in der Spitze vielleicht 1 A. Bis zu 3 A des maximalen Ladestroms kann der 30-Ah-Akku im Shack aufnehmen. Je nach Betriebszustand fließt der Rest in den Keller.

Wenn man das Spannungsverhalten von Blei-Gel-Akkus betrachtet, dann kann man drei Bereiche unterscheiden. Man merkt deutlich, dass Ladung und Entladung mit Materialtransport im Akku verbunden sind, weil die Übergänge grundsätzlich im Bereich von diverse Sekunden bis Minuten ablaufen:

• Einen Spannungsbereich bis etwa 13 V, wenn der Akku ohne Belastung oder mit angeschlossener Last betrieben wird. Die aktuelle Spannung ist stark vom Ladezustand und dem gerade entnommenen Strom abhängig.
• Einen Spannungsbereich ab 12 V bis typisch 14,6 V, wenn der Akku geladen wird.
• Recht träge Übergangszustände zwischen den beiden beschrieben Zuständen. Ein leerer Blei-Gel-Akku wird beim Laden sehr schnell eine Spannung über 12 V erreichen. Selbst wenn der Akku beim Ladeschluss nur noch sehr geringe Ströme aufnimmt, wird seine Klemmenspannung ohne den Ladestrom schnell um ein halbes Volt oder mehr absinken.

Dieses Verhalten ermöglicht es, Blei-Gel-Akkus so problemlos zuammenzuschalten: Lediglich bei sehr weit entladenen Akkus muss man aufpassen; deshalb gibt es am einen Batterieanschluss meiner Ladesteuerung einen überbrückbaren 10-Ω-Widerstand: Im Extremfall gibt es im ersten Moment knapp 5 V Potentialdifferenz, was den ersten Lade-Stromstoß auf weniger als 0,5 A begrenzt. Spätestens nach 30 min kann man den Widerstand überbrücken, ohne dass der Ladestrom des leeren Akkus überschritten wird.

Umgekehrt zapft meine Installation die Akkus im Keller erst dann an, wenn ich aus dem Akku im Shack deutlich Strom entnehme. In Zahlen: Wenn ich meine typische Last von 2-3 A (siehe oben) aus der Shack-Batterie entnehme, dann baut sich im Lauf von 30 min oder so ein Ladestrom aus dem Keller von knapp 1 A auf. Der fließt aber noch eine ganze Weile weiter, wenn ich die Last abschalte. Schalte ich die VHF-PA in Sendebetrieb, steigt der Stromverbrauch auf 6-8 A. Dann kommen, je nach Ladezustand der Akkus, auch mal 2 A aus dem Keller.

Umgekehrt wird der Akku im Shack wird vom Solar-Laderegler sehr sorgfältig geladen:

• Am Vormittag bleibt der Stromertrag weitgehend im Shack: Einen wesentlichen Teil verbrauche ich oft direkt, wie oben beschrieben. Der Rest lädt den Akku im Shack, der ja am meinsten beansprucht wird. In den Keller fließt erst mal wenig Leistung, denn die Spannugsdifferenzen zwischen oben und unten sind gering.
• Wenn die Ladespannung des Shack-Akkus etwa 13,3 V erreicht, steigt der Ladestrom in den Keller langsam an.
• Wenn im Shack die Ladeschlussspannung von 14,6 V erreicht wird, fließen öfter mal mehr als 3 A in den Keller.
• Abhängig von der vorherigen Entladung schaltet der Solar-Laderegler nach maximal 2 Stunden auf Erhaltungsladung, also 13,8 V. Spätestens dann wird es Zeit, dass ich den Ladestrom mit einem Schaltregler in den Keller pumpe. Das muss ich noch automatisieren, auf dass auch die Akkus im Keller bis zu 14,6 V Ladespannung bekommen.
• Auffällig ist, dass gerade ältere Akkus oberhalb von etwa 14,2 V so gut wie keinen Ladestrom mehr aufnehmen. Aber der Spannungsanstieg jenseits der 13,8 V geht swieso sehr steil. Sprich: Da geht es kaum noch um das Laden, sondern wohl eher um das Bekämpfen der Sulfatierung.

Meine aktuelle Arbeitsthese ist, dass es in den älteren Akkus zu wenig freie Schwefelsäuere gibt, weil ein Teil in den Bleisulfat-Kristallen gebunden ist. Deshalb will ich mal mit dem Nachfüllen von Batteriesäuere statt von deminaralisiertem Wasser experimentieren.

Wenn die Leerlaufspannung meiner Akkus unter 12.3 V sinkt, hänge ich ein Ladegerät an. Schließlich will ich den größten Teil der Ladung für Notfälle aufheben. Ganz nebenbei schont dieser Betrieb die Akkus: Wenn man nur 30% der Ladung nutzt, versprechen die Datenblätter typisch 1200 Ladezyklen. Auch das ist ein Vorgang, den ich noch automatisieren werde. Das wird wohl so aussehen, dass ich für den Keller eine weitere Ladesteuerung baue, der bei zu geringer Spannung ein konventionelles Ladegerät ans Stromnetz und meine 12-V-Versorgung anschließt.

Das werde ich gleich nutzen, um beispielsweise meinen ADSL-Router mit stabilisierten 12 V zu versorgen. Ursprünglich überlegte ich, den Router direkt an die Akkuspannung zu hängen, denn in der Kiste sind diverse Schaltregler und es gibt wohl keine weitere Elektronik, die direkt mit der Eingangsspannung betrieben wird. Was mich von dem Vorhaben abhielt waren die 16-V-Elkos: Bei so einem Gerät für Dauerbetrieb wäre das volle Ausnutzen der Spannungsfestigkeit eine schlechte Idee. Also muss für meinen Laderegler im Keller eine entsprechend stabile Mechanik her...

Wenn wirklich der Notfall eintritt, kann ich den oben erwähnten Spannungswandler auch im Keller einsetzen. Dann lade ich den Akku im Shack aus dem Keller nach. So habe ich auch dann noch eine sinnvolle Betriebsspannung, wenn die Akkus im Keller schon unter 12 V liegen. Das sollte man nicht zu häufig machen, denn die Datenblätter versprechen bei Nutzung von 90% der Ladung nur noch 300 Zyklen. Aber wie gesagt: Das passiert nur im Ernstfall.

Warum nicht mit 24 V arbeiten?

Mittelfristig habe ich vor, die Akkus im Keller zu einer 24-V-Batterie zusammenzuschalten. Leider ist es da aber nicht mit einer anderen Verkabelung getan: Ich arbeite mit gebrauchten Akkus, die völlig unterschiedliche Vorgeschichten haben. Ich darf nur Akkus in Serie schalten, die annähernd gleiche Kapazität haben. Sonst merke ich nicht, dass der eine schon tiefentladen wird, während der darüber noch gut Spannung liefert.

Dieses Problem ist gut bekannt und etwa bei Lithium-Ionen-Akkus sehr gefährlich. Deshalb muss man solche Akkus mit einem Banancer betreiben. Das ist in der Regel eine Schaltung, die die Zellenspannung auf den zulässigen Maximalwert begrenzt. Dazu wird der Ladestrom dann an der Zelle vorbei geleitet und die Ladeleistung verheizt. Auch hier will ich wieder meine Schaltregler einsetzen: Wenn die Spannung der oberen Akkus ernsthaft größer wird als die der unteren, lade ich die unteren Akkus aus den oberen – oder halt umgekehrt. Das Hauptproblem dabei ist das Einschalten der Schaltregler. Da bin ich noch am Überlegen.

24-V-Technik würde mir vieles erleichtern, weil die Ströme viel kleiner würden. Die oben beschreiebene Bemessung der Akku-Sicherungen wird leichter. Falls ich mir mal einen Wechselrichter für 230 V zulege, könnte der mehr Leistung abgeben.

Mein MPPT-Laderegler funktioniert auch mit 24 V. Nur liefern bei bedecktem Himmel meine Solarmodule dann nicht mehr genug Spannung, um den Akku voll zu laden. Ich müsste dann jeweils zwei Solarmodule in Serie schalten, was mein aktueller Laderegler nicht verkraftet. Aber seh'n wir mal...