Ein Batterietrennrelais ist ein spezielles Relais, das in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, wenn neben der Starterbatterie auch eine Zweitbatterie eingebaut wird. Durch das Batterietrennrelais werden einzelne Bleiakkumulatoren (nachfolgend Batterien genannt) bei Bedarf getrennt und zwecks Ladung wieder miteinander verbunden.
Grundlagen In den Bordnetzen heutiger Kraftfahrzeuge werden oft Verbraucher mit hohen Leistungen betrieben. Werden diese Verbraucher über längere Zeit bei stehendem Motor betrieben, kommt die Starterbatterie schnell an ihre Kapazitätsgrenze. Damit der Motor des Kfz auch nach längerem Betreiben dieser Verbraucher wieder gestartet werden kann, ist es sinnvoll, dafür eine zweite Batterie in das Kfz einzubauen. Allerdings sollte diese Zweitbatterie nicht direkt parallel an die Starterbatterie angeschlossen werden, denn: auch die doppelte Batteriekapazität (eigentlich elektrische Ladung) kann aufgebraucht werden bei längeren Stillstandphasen können sich die Batterien gegenseitig entladen bei Defekten wird die Starterbatterie in Mitleidenschaft gezogen.
Vielmehr ist es sinnvoll, ein zweites Bordnetz aufzubauen und damit die sekundären Verbraucher wie: Leistungsstarke HiFi-Verstärker Kühlbox bzw. Kühlschrank Wohnbereichselektrik bei Wohnmobilen von dem eigentlichen Primärbordnetz elektrisch zu trennen. Dabei werden die Minuspole der Batterien direkt mit der Masse verbunden und die Pluspole werden geschaltet.
Alternativ verfügen einige Geräte über eine Spannungsüberwachung. Diese schalten das Gerät ab, sobald die Versorgungsspannung beispielsweise 12,7 Volt unterschreitet.
Betriebszustände im Bordnetz Bezüglich der Belastung des Bordnetzes inklusive der Stromabgabe der Lichtmaschine kann man vier Betriebszustände unterscheiden:
Grundbelastung Teilbelastung Vollbelastung Überbelastung
Bei Fahrzeugen mit 24-Volt-Bordnetzen, z. B. große Reisebusse, sind die Spannungswerte bei den jeweiligen Betriebszuständen doppelt so hoch.
Bei der Grundbelastung ist der einzige Verbraucher die Zündanlage. Die Starterbatterie wird durch die Lichtmaschine gut geladen. Die Bordnetzspannung steigt auf über 13,6 Volt an. Bei 14 Volt regelt der Lichtmaschinenregler ab. Da jetzt genug Ladeenergie zur Verfügung steht, kann ohne Probleme die Zweitbatterie geladen werden.
Bei der Teilbelastung wird durch das Zuschalten von mehreren großen Verbrauchern (Licht, Heckscheibenheizung, Lüfter) von der Lichtmaschine mehr Strom benötigt. Die Bordnetzspannung sinkt auf 13,4 bis 13,6 Volt. Die Starterbatterie wird geladen. Die Zweitbatterie sollte nur geladen werden, wenn beim Fahren die Starterbatterie genügend Ladeenergie erhalten hat. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn die Bordnetzspannung auf über 13,4 Volt ansteigt.
Bei der Vollbelastung sind nun so viele Verbraucher eingeschaltet, dass die Lichtmaschine an ihre Leistungsgrenze gekommen ist. Die Bordnetzspannung sinkt unter 13,4 Volt. Die Starterbatterie wird nicht mehr geladen. Wird nun die Zweitbatterie zugeschaltet, kann es je nach Ladezustand der Zweitbatterie zu Ausgleichsströmen aus der Starterbatterie kommen.
Bei der Überbelastung sind so viele Verbraucher eingeschaltet, dass die Lichtmaschine den geforderten Strom nicht mehr alleine liefern kann und Strom aus der Starterbatterie geliefert werden muss. Die Bordnetzspannung sinkt jetzt bis auf 12 Volt. Bei länger andauernder Überbelastung kann die Starterbatterie entladen werden. Die Zweitbatterie sollte jetzt auf keinen Fall zugeschaltet werden, damit das Bordnetz nicht zusätzlich belastet wird.
Methoden zur Batterietrennung Um die zwei Bordnetze zu trennen, eignen sich folgende Bauteile:
Batterieschalter Dioden Relais
Die einfache Trennung mittels Batterieschalter ist wegen des erforderlichen Ein- und Ausschaltens von Hand eine unzuverlässige und Erfahrung erfordernde Methode.
Bei der Trennung mittels Trenndioden werden die beiden Batterien zum Beispiel über Schottky-Dioden aufgeladen. Allerdings ist hierbei zum Ausgleich der Schwellenspannung eine Neueinstellung oder ein Umbau am Lichtmaschinenregler erforderlich. Der Regler liefert entweder eine höher eingestellte Spannung oder erhält sein Istspannungssignal direkt von der Batterie.
Bei der Trennung mittels Kfz-Relais (typisch 40 A Schaltstrom) wird dieses mit der Spule an den Zündanlassschalter angeschlossen und die beiden Batterien werden über den Schließerkontakt miteinander verbunden. Das Relais sollte in der Nähe der Batterien eingebaut werden. Außerdem muss eine 40-Ampere-Schmelzsicherung zwischengeschaltet werden, um die Kontakte vom Relais zu schützen. Dass das Relais nicht während des Anlassens einschaltet, verhindert eine Verriegelungsschaltung mit dem Anlasser. Zusätzlich wird ein Schalter empfohlen, um das Relais bei Vollbelastung des Kfz-Bordnetzes von Hand ausschalten zu können.
Batterietrennrelais sind spezielle Relais-Baugruppen, die extra für die Batterietrennung entwickelt wurden. Sie haben stärkere Schaltkontakte. Außerdem werden sie anders verschaltet und besitzen oft eine Schutzschaltung, um die Bordelektronik vor Überspannung zu schützen.
Aufbau und Funktion von Batterietrennrelais mini|Blockschaltbild der elektrischen Anlage eines Wohnmobils mit Batterietrennrelais (Blackboxdarstellung)
Als Batterietrennrelais werden sogenannte Leistungsrelais verwendet. Das sind Relais mit Kontakten, die je nach Bauart Ströme zwischen 60 Ampere bis zu 250 Ampere sicher schalten können. Die meisten Batterietrennrelais können bis zu 106 Schaltzyklen bewältigen. Es ist vorteilhaft wenn das Batterietrennrelais in der Nähe der Batterien eingebaut wird. Der Schaltkontakt vom Batterietrennrelais wird in der Regel werksmäßig nicht abgesichert, allerdings müssen die Hauptleitungen gegen Beschädigung geschützt verlegt werden. Die Schaltkontakte von hochwertigen Relais werden aus speziellen Wolfram-Legierungen hergestellt und mit einer Hartsilber-Nickel-Legierung beschichtet. Aufgrund der speziellen Legierungswerkstoffe sind die Kontakte selbstreinigend. Die Relaiskontakte von Relais mit großer Schaltleistung werden in einem mit Edelgas gefüllten hermetisch abgedichteten Röhrchen eingebaut. Durch diese Bauweise werden die Relaiskontakte vor Umwelteinflüssen geschützt. Um den Kontaktabbrand zu minimieren, werden manche Relais mit sogenannten Vor- und nacheilenden Kontaktstücken ausgerüstet.
Bei Batterietrennrelais, wo dieser Materialaufwand nicht betrieben wird, kann es aufgrund des hohen Stromflusses zum Festbacken der Schaltkontakte kommen. Dadurch bedingt können sich bei diesen Relais die Schaltkontakte nicht mehr öffnen und die Batterien sind ständig parallel geschaltet.
Der Einbau von Batterietrennrelais löst nicht die Probleme von zu hohem Stromverbrauch der Bordnetze. Lichtmaschinenleistung und Batteriekapazität müssen aufeinander angepasst werden. Bei zu großer Batteriekapazität ist eine zu schwach dimensionierte Lichtmaschine überfordert und die Batterien werden unter Umständen nicht voll geladen. Insbesondere im Winter führt dies zu Problemen beim Kaltstart. Abhilfe bringt hier nur eine stärkere auf die Batteriekapazität abgestimmte Lichtmaschine. Diese wiederum kann allerdings wieder zu einem etwas höheren Kraftstoffverbrauch führen.
+ Anpassung der Kontaktbelastung und Lichtmaschinengröße an die Batteriekapazität (Ladung) Summe der elektrischen Ladungder eingebauten Batterien in Ah Maximaler Lichtmaschinenstrom in ANennstrom desRelaiskontaktes in A3340605555…70706680100100…15090100180110150300120180 Quellen:
Es gibt zwei Arten von Batterietrennrelais: einfache Batterietrennrelais elektronische Batterietrennrelais
Einfache Batterietrennrelais Bis etwa 1996 wurde bei einigen Caravanmodellen als einfachste Schaltungsvariante das Batterietrennrelais direkt an den Zündanlassschalter angeschlossen und gegen den Anlasser elektrisch verriegelt. Dies hatte zur Folge, dass die Batterien immer dann Parallel geschaltet wurden, wenn die Zündung eingeschaltet war.
mini| Einfaches Batterietrennrelais mit Verriegelung gegen den Anlasser
Als Erweiterung kann eine weitere Verriegelung gegen den Anlasser ausgeführt werden. Dazu wird die Relaisspule statt direkt an Masse an die Klemme 50 des Anlassers angeschlossen. Das Relais zieht dann erst an, wenn der Zündanlassschalter wieder in der Stellung „Zündung“ steht. Durch diese Maßnahmen wird verhindert, dass ein Teil des Anlasserstromes über das Trennrelais fließt. Außerdem wird durch diese Schaltung die Selbsterregung der Lichtmaschine verbessert, weil über die Spule des Batterietrennrelais beim Startvorgang ein zusätzliches Pluspotential vom Anlasserrelais zur Erregung der Lichtmaschine weitergeleitet wird. Um das Relais auch manuell abschalten zu können, sollte ein zusätzlicher Schalter mit Einschaltkontrollleuchten eingebaut werden. Bei diesem Trennrelaistyp ist eine Eigenstarthilfe nicht vorgesehen.
Bei einer anderen Schaltungsvariante werden einfache Batterietrennrelais zwischen dem Lichtmaschinenregleranschluss D+ und Masse angeschlossen. Dadurch ist gewährleistet, dass das Relais erst durchschaltet, wenn die Lichtmaschine sich dreht und die mittlere Lichtmaschinenspannung über der Akkuspannung liegt. Nach dem Abstellen des Motors sinkt die vom Generator abgegebene Spannung augenblicklich, so dass das Relais sofort abschaltet und den Schaltkontakt öffnet. Somit sind dann beide Batterien wieder voneinander getrennt.
Werden einfache Batterietrennrelais direkt mit dem „D+“-Anschluss verbunden, empfiehlt sich eine Vorrichtung zur Dämpfung von möglicher Spannungsspitzen durch Selbstinduktion bei Abschaltung der Magnetspule des Trennrelais. Dadurch werden die Erregerdioden der Lichtmaschine vor Überspannung geschützt.
Elektronische Batterietrennrelais mini| Elektronisches Batterietrennrelais mit Eigenstarthilfe über Zeittaster
Bei elektronischen Batterietrennrelais ist die Verschaltung wesentlich einfacher. Die Relaisspule wird zwischen Zündanlassschalter (Kontakt-Zündung) und Fahrzeugmasse geschaltet. Der Relaiskontakt wird zwischen beide Batteriepluspole geschaltet. Das Relais ist mit einer Elektronik ausgestattet, die die Höhe der Bordnetzspannung überwacht und das Relais dementsprechend schaltet. Die Relais schalten bei Erreichen einer bestimmten Spannung, der sogenannten Zuschaltschwelle, das Relais an und bei Erreichen der sogenannten Abschaltschwelle das Relais aus. Die Werte sind je nach Hersteller leicht unterschiedlich.
Bei 12-Volt-Batterietrennrelais liegt die: Zuschaltschwelle zwischen 13,4 und 13,6 Volt Abschaltschwelle zwischen 12,7 und 12,6 Volt
Bei 24-Volt-Batterietrennrelais liegt die: Zuschaltschwelle zwischen 27 und 27,2 Volt Abschaltschwelle zwischen 25,4 und 25,2 Volt
mini|Schutzbeschaltung – einfaches Batterietrennrelais
Durch das automatische Zusammenschalten und Trennen der Batterieblöcke wird die Zweitbatterie immer dann geladen, wenn die Lichtmaschine genügend Energie liefert. Elektronische Batterietrennrelais erkennen über die Elektronik eine Überlastung und schalten das Relais rechtzeitig ab. Einige Relais sind mit einer Zusatzfunktion zur sogenannten Eigenstarthilfe ausgerüstet. Über einen Zeittaster können dadurch die beiden Batterien vorübergehend parallel zusammen geschaltet werden. Elektronische Batterietrennrelais sind auf Grund ihrer Schaltweise insbesondere dann vorzuziehen, wenn der „D+“-Anschluss der Lichtmaschine schlecht erreichbar ist.
Vollelektronische Batterietrennrelais Während elektronische Batterietrennrelais über eine elektronische Ansteuerung eines mechanischen Relais verfügen, kommen vollelektronische Batterietrennrelais ohne mechanische Relais aus. Sie schalten den Strom verschleißfrei über Leistungshalbleiter und erreichen dadurch eine deutlich höhere Anzahl von Schaltzyklen.
Schutzbeschaltung