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Notstromversorgung: Verkabelungs-Tipps


Wer für seine Funkanlage eine Notstromversorgung bauen will, stößt schnell auf spezielle Probleme. Das gilt vor allem, wenn man die Akkus mit Solarmodulen laden will. Diese Seite fasst meine einschlägigen Erfahrungen zusammen.

Unverzichtbares Werkzeug

Mittlerweile halte ich Crimpzangen für unverzichtbar, vor allem für Adern-Endhülsen. Früher haben wir dickere Drähte und Litzen mit Lüsterklemmen verbunden. Litzen haben wir vor der Montage verzinnt, damit die einzelnen Drähtchen nicht irgendwo an der Schraube vorbei liefen. Nach einiger Zeit stellten wir dann fest, dass die Schraube der Lüsterklemme längst nicht mehr so fest saß, wie wir sie einst angezogen hatten: Das Lötzinn fließt unter Druck. In einer 12-V-Versorgung fließen oft größere Ströme, da sind solche Schwachstellen gefährlich: Sie können ziemlich warm werden.

Adernendhülsen nach AWG

Noch vor wenigen Jahren kostete die billigste Crimpzange für Adernendhülsen an die 100 EUR. Mittlerweile gibt es sie schon ab ein paar 20 EUR, zusammen mit einem umfangreichen Sortiment an Adern-Endhülsen. Die beiden schlechten Nachrichten dazu:

  • Ernsthaft dicker als 10 mm2 dürfen die Adern nicht sein. Das ist manchmal zu wenig.
  • Die Adern-Endhülsen solcher Billigangebote sind für amerikanische Drahtstärken (AWG) gedacht.

Das Bild zeigt das Einlegeblatt meines Sortimentskastens. Handschriftlich habe ich den Adernquerschnitt nach AWG in mm2 angegeben. Die Unterschiede zwischen den aufgedruckten und tatsächlichen Querschnitten sind teilweise beträchtlich. Das Ergebnis: Manche Adernendhülsen lassen sich nur schwer auf die Litze aufschieben oder die gekrimpte Adernendhülse wirft Falten – siehe unten. Der erste Effekt ist für gelegentliche Arbeiten zu verkraften, der zweite kann den Kontaktwiderstand deutlich erhöhen. Wohl deshalb erzählen einem Profis pauschal, das China-Zeug sei Schrott. Es lohnt sich also, für die wichtigsten Kabelquerschnitte metrische Adern-Endhülsen zu beschaffen. Je nach Größe kosten 100 Stück einige wenige EUR.

Adernendhülsen gebastelt

Etwas Basteln ließ sich trotzdem nicht vermeiden: Meine Adernendhülsen für 16 mm2 und die größeren Kabelschuhe kann ich immer noch nicht crimpen.

  • Die Kabelschuhe bekomme ich nur mit meinem 100-W-Lötkolben in den Griff. Dazu spanne ich sie mit ein paar Lagen Papier als Wärmeisolierung mit dem flachen Teil in den Schraubstock ein.
  • An einigen Stellen nutze ich wegen des Widerstandes 16 mm2-Leitungen, obwohl das zugehörige Loch nur für 7 AWG gedacht ist. Da schneide ich dann ein paar Litzendrähte weg, bis das Kabel in eine 7-AWG-Adernendhülse passt. Dann kann ich auch wieder mit meiner Crimpzange arbeiten. Ja, ich weiß, das macht man nicht so! Aber die Strombelastbarkeit ist auch so reichlich.
  • Wenn es wirklich 16 mm2 sein müssen, dann muss ich mir entweder jemanden mit passendem Werkzeug suchen oder einen wirklich inoffiziellen Weg gehen: Ich quetsche die Adernendhülse mit einer Lüsterklemme, die innen einen passenden Blechstreifen enthält. So wird die ganze Hülse flach und es gibt kein Loch, wo sich die Schraube hinen gebohrt hat. Das hält aber nicht zuverlässig, weshalb ich das offene Ende der Adern-Endhülse mit dem Lötkolben behandle. Für das Beispiel im Bild habe ich mit einer Klemme für 25 mm2 gequetscht, passt natürlich auch nur in eine solche Klemme rein.

Die Verbindung zwischen Ladegerät und Akku ist kritisch

Vor allem wenn man die Akkus mit Solarstrom laden will, wird der Ladestrom leicht ziemlich groß. Das gilt selbst für QRP-Stationen, bei denen das Funkgerät selten mehr als 5 A zieht: Die Sonne scheint relativ selten. Also muss der Ladestrom wesentlich größer sein als der maximale Entladestrom. Die Solarmodule mit dem niedrigsten Preis pro Wp haben mittlerweile Nennleistungen um die 400 W und sind gut 2 m2 groß. Damit kommt man schnell auf Ladeströme jenseits der 20 A.

Bei meinen ersten Versuchen mit aktuellen Solarmodulen verwendete ich zwischen dem Solar-Laderegler und den Akkus ein TRX-Kabel aus der Bastelkiste. Erst mal war ich verblüfft, dass das gut handwarm wurde. Ich maß 0,5 V Spannungsabfall: 0,5 V * 20 A = 10 W!

Das wirkliche Problem war aber ein anderes: Der Solar-Laderegler konnte die Batteriespannung nicht korrekt messen. Bei Blei-Akkus beliebiger Technik ist das kein großes Problem, denn während des Ladens steigt die Ladespannung bei 12 V Nennspannung bis zu 3 V an.

Lithium-Akkus haben eine viel steifere Klemmenspannung, die in meinem Fall selbst im Extremfall nur zwischen 12,8 V und 13,8 V schwankt. Bei bis zu 0,5 V Spannungsabfall regelt der Laderegler also schon bei 13,3 V Batteriespannung langsam ab. Bei einem konventionellen Ladegerät könnte man einfach die Ladeschlussspannung erhöhen, weil der Ladestrom immer konstant ist. Bei Solarstrom geht das nicht, denn der Ladestrom schwankt dann stark.

Die Ladeschlussspannung habe ich mit diversen Messungen des Ladestroms bestimmt, wobei das ausdrücklich nur für meine Akkus gilt: Ab 13,6 V steigt die Klemmenspannung beim Laden plötzlich ziemlich steil an. Dabei fällt auf, dass der Ladestrom immer wieder in Stufen abfällt – offensichtlich eine Wirkung des eingebauten Batterie-Managementsystems (BMS). Wesentlich Ladung kriegt man dann nicht mehr rein – vielleicht noch 1% der Nennkapazität. Deshalb die 13,8 V Ladeschlussspannung.

Meine Empfehlung: In einem 12-V-System mit LiFePO4-Akkus sollte der maximale Spannungsabfall zwischen Laderegler und Akkus bei etwa 0,1 V liegen. Mittlerweile haben alle Leitungen zwischen Solar-laderegler, Akku und Wechselrichter einen Querschnitt von 16 mm2.

Akkus absichern

Häufig sieht man diverse Batterien, die mit dicken Leitungen direkt miteinander verbunden sind. Diese Konstruktionen verlassen sich offensichtlich darauf, dass ggf. das BMS eines Akkus bei Überstrom abschaltet. In einer Notstromversorgung gelten etwas andere Regeln, weil der Akku die Station für Tage versorgen soll. Entsprechend arbeitet man auch gerne mit dünneren Leitungen. Zudem ist Amateurfunk ein experimenteller Funkdienst, was auch für die Stromversorgung gilt. Deswegen habe ich die ganze Notstromversorgung anders abgesichert:

Akku mit Sicherung
  • Der Solar-Laderegler enthält eine wechselbare 40-A-Sicherung.
  • Zwischen Laderegler und Wechselrichter auf er einen Seite und den Akkus auf der anderen Seite liegt eine 80-A-Sicherung.
  • Unmittelbar an jedem Akku liegt eine 40-A-Sicherung, obwohl jeder der beiden Akkus völlig problemlos 100 A liefern könnte.

Der Sinn der Übung ist, den Strom in jeder einzelnen Leitung auf einen möglichst geringen Wert zu begrenzen. Für die Akkus habe ich auch 60-A-Sicherungen daliegen. Der Wechselrichter zieht im Extremfall für Sekundenbruchteile 70 A. Wenn mir also die Akku-Sicherungen fliegen, dann sind die Akkus unterschiedlich gealtert oder eine Leitung hat sich gelockert: Einer musste deutlich mehr als die Hälfte des Stroms liefern, deshalb löste seine Sicherung aus. Wenn dann der andere Akku den gesamten Strom liefern muss, löst auch dessen Sicherung aus.

Die Sicherungen direkt an den Akkus haben auch einen anderen positven Effekt: Ich kann an den Akkus herumbauen, ohne die ganze Notstromversorgung außer Betrieb zu nehmen. ich ziehe einfach die Sicherung eines Akkus und kann ihn dann problemlos abklemmen. Im einfachsten Fall will ich seine Anschlussleitung anders verlegen. Im Ernstfall kann ich, wenn meine Lithiumakkus leer werden, meine alten Blei-Gel-Akkus im laufenden Betrieb anklemmen. Genauer: Alle Akkus sind immer angeschlossen. Aber die Sicherungshalter der Blei-Gel-Akkus sind meist leer. Alle paar Monate prüfe ich die Klemmenspannung der Blei-Gel-Akkus und lade sie ggf. getrennt nach.

Anlaufströme beachten!

Es gibt genug Gelegenheiten, bei denen einem Anlaufströne das Leben schwer machen. Im Niederspannungsbereich können das Stützkondensatoren sein, wie sie z.B. in manchen Wechselrichtern eingebaut sind. Die wird man meist über einen Vorwiderstand aufladen und das Gerät dann fest mit dem Akku verbinden. Viel unschöner sind die Anlaufströme von Motoren.

Mein Kühlschrank braucht maximal 100 W, zieht aber beim Einschalten des Kompressors gemütlich 700 W. Noch schlimmer ist mein Luftentfeuchter: Im Betrieb zieht er gut 200 W, aber die Anlaufleistung ist sicher über 1 kW. Im Gegensatz dazu ist der Anlaufstrom der Küchenmaschine völlig unauffällig, obwohl sie auch bis zu 150 W zieht. Meine Vermutung ist, dass die Kompressor-Motoren auf geringe Verluste getrimmt werden, denn sie laufen ja sehr viel. Das bedeutet u.a. geringe Wicklungswiderstände. Erst während des Anlaufs reduziert die Gegen-EMK des Motors die Stromaufnahme.

Nicht umsonst haben Wechselrichter in aller Regel zwei Leistungsangaben: Spitzenleistung und Dauerleistung. Mein Wechselrichter liefert 600/800 W. Diese Leistungen muss auch der Kreis zwischen Akku und Wechselrichter liefern können, und zwar auch bei minimaler Akkuspannung. Nehmen wir 12 V Minimalspannung an, dann bedeuten 800 W einen Strom von 67 A - ohne die Verluste des Wechselrichters. Auch deshalb quäle ich mich mit 16 mm2-Leitungen ab!

Die 12 V kann ich übrigens nur bei meinen LiFePO4-Akkus annehmen. Für Blei-Akkus muss man mit 10 V rechnen. Dann ist man schon jenseits der 80 A.

...und so sieht es aus!

Verkabelung Solar-Notstrom

Nichts ist so anschaulich wie ein Beispiel. Deshalb zeige ich hier die zentrale Verkabelung meiner Solar-Notstromversorgung.

  • Links unten ist die Batterie-Sammelschiene. Hier sind alle Akkus angeschlossen.
  • Rechts davon ist der 12-V-Hauptverteiler. Zwischen beiden Klemmenpaaren ist auf der Minus-Seite der Batteriestrom-Shunt zum Messen des Stroms und auf der Plus-Seite eine 80-A-Sicherung (unten). Der Shunt hat M10-Schrauben, entsprechend groß sind die Kabelschuhe. Links kann man sehen, dass die 16-mm2-Leitung angelötet ist.
  • Links oben ist der Solar-Laderegler. Dessen Eingang nutzt 2,5 mm2-Leitungen, denn da sind maximal 6 A bei 70 V unterwegs. Am Ausgang hängen 16-mm2-Leitungen, weil der Laderegler bis zu 35 A liefern kann. Dazu muss ich allerdings erst noch ein drittes Solarmodul einbinden. Der Solarstrom wird dadurch nicht größer, aber die Solarspannung steigt dann auf über 100 V.
  • Rechts oben sieht man den Wechselrichter. Der hängt über einen 1-F-Kondensator ("Powercap") am Hauptverteiler. Der primäre Sinn des Powercap ist das Puffern der Stromspitzen, die der Wechselrichter zieht. Das schont die Akkus und reduziert die Leitungsverluste, denn die gehen ja mit dem Quadrat des Stroms. Außerdem unterstützt der Powercap bei Einschalt-Stromstößen, siehe oben. Wenn der Wechselrichter für 1/100 s 100 A aus dem Powercap zieht, sinkt dessen Spannung um 1 V. Powercaps benutze ich schon seit vielen Jahren in meiner KW-Mobilstation. Dort ermöglichen sie mir 100 W SSB-Betrieb aus der ganz normalen 12-V-Steckdose im Kofferraum.

Wer sich über meine unüblichen Maxi-Sicherungen wundert: Ich wollte nur eine Bauart Hochstromsicherungen nutzen und an den Akkus hatte ich kaum Alternativen. Außerdem kann ich die 80-A-Sicherung so mit optimal kurzen Leitungen anschließen. Der Rest der Sicherungen sind ganz normale KFZ-Sicherungen – sowohl im Solar-Laderegler als auch im Verteiler für die 12-V-Verbraucher. So gibt es in dem System eine 12-V-"Verteilersteckdose" mit zwei USB-Ausgangen, die ich zur Funkentstörung umgebaut habe.

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Alexander von Obert * http://www.dl4no.de/thema/notstro1.htm
Letzte Änderung: 11.06.22 (Erstfassung)


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