Die Autobatterie – ein unscheinbarer Helfer, der im Auto seinen Dienst verrichtet. Doch erst wenn sie versagt, wird einem bewusst, wie wichtig sie ist. Doch wie funktioniert eine Autobatterie überhaupt? Was bedeuten Begriffe wie Blei-Säure-Akku, AGM-Batterie, Starter- und Verbraucherbatterie? In diesem Artikel bringen wir Licht ins Dunkle und erklären dir, wie eine Autobatterie funktioniert und welche verschiedenen Typen es gibt.
Ohne die Autobatterie geht nichts!
Die Autobatterie spielt eine entscheidende Rolle für die Elektronik und Elektrik im Fahrzeug. Die Lichtmaschine erzeugt eine Wechselspannung, während die Bordelektronik auf Gleichspannung angewiesen ist. Daher verfügt die Lichtmaschine über einen Gleichrichter, der die Wechselspannung in Gleichspannung umwandelt. Allerdings ist diese Gleichspannung nicht perfekt gleichmäßig, was für die empfindliche Bordelektronik problematisch sein kann. Hier kommt die Batterie ins Spiel: Durch ihre Kondensatorfähigkeit gleicht sie die Spannungsschwankungen aus und minimiert elektromagnetische Verträglichkeitsprobleme.
Gleichzeitig fängt die Batterie Spannungsspitzen und -täler ab, die von der Lichtmaschine kommen, da ihre Spannung schwankt. Die Lichtmaschine wird laufend in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und dem aktuellen Verbrauch geregelt, was Elektronik nicht mag.
Außerdem ermöglicht die Batterie dynamische Spitzenlasten, die die Lichtmaschine allein nicht liefern kann. Beim Einschalten starker Verbraucher wie der Heckscheibenheizung oder dem Servomotor der elektrischen Lenkung werden solche Spitzenlasten benötigt.
Die klassische Autobatterie: Der Blei-Säure-Akku
Die klassische Autobatterie ist ein “nasser” Blei-Säure-Akku. Mit zunehmender Elektronik im Auto halten allerdings auch andere Akkutypen Einzug. Dennoch ist der klassische Blei-Säure-Akku weit verbreitet.
Der Blei-Säure-Akku besteht aus Plattenpaaren, den Elektroden, die in getrennten Kammern, den Zellen, untergebracht sind. Eine Platte bildet die positive Elektrode und besteht aus Bleioxid, während die andere Platte die negative Elektrode bildet und aus Blei besteht. Die Zellen sind in Reihe geschaltet, wobei jede Zelle eine Ruhespannung von 2 Volt erzeugt. In einer 12-Volt-Autobatterie gibt es daher sechs solcher Zellen.
Zur Energieerzeugung wird ein Elektrolyt zwischen den Platten benötigt. Bei einem Blei-Säure-Akku handelt es sich um eine Schwefelsäure-Wasser-Mischung. Andere Akkutypen wie die AGM-Batterie und die Gel-Batterie verwenden andere Materialaufbauten und binden die Säure an andere Stoffe.
Um eine maximale Leistung zu erzielen, ist eine möglichst große Plattenoberfläche erforderlich. Daher bestehen die Elektroden nicht aus flachen Platten, sondern Gittern. Diese Gitter bestehen aus einer Bleilegierung, die mit poröser Bleioxid- oder Bleipaste bestrichen ist. Allerdings hat diese Bauweise auch einen Nachteil, wie wir später noch sehen werden.
Vorgänge bei der Stromentnahme und beim Laden
Wird Strom aus der Autobatterie entnommen, wandeln sich das Bleioxis und das Blei in Bleisulfat um, und der Säuregehalt im Elektrolyt sinkt. Dieser Säuregehalt ist ein guter Indikator für den Ladezustand der Batterie. Bei wartungsarmen oder -freien Batterien lässt sich dieser Säuregehalt jedoch nicht messen.
Beim Laden kehren sich diese Prozesse um: Das Bleisulfat wird wieder zu Bleioxid und Blei, und der Säuregehalt steigt. Dieser Vorgang wird oft als problematische Sulfatierung bezeichnet, ist aber eigentlich das Prinzip der Batterie. Probleme entstehen erst, wenn sich große Sulfatkristalle bilden oder nicht alle Kristalle wieder umgewandelt werden können. In diesen Fällen geht Kapazität verloren.
Es wäre ideal, wenn dieser Sulfatierungs- und Rückbildungsprozess ewig andauern würde. Leider ist das in der Praxis nicht der Fall. Der Akku altert und verliert an Kapazität. Ein unsachgemäßer Umgang mit dem Akku, insbesondere falsche Stromentnahme und unzureichendes oder falsches Laden, beschleunigen diesen Alterungsprozess.
Wichtige Kenngrößen des Akkus
Ein Akku wird durch verschiedene Kenngrößen definiert. Die Spannung gibt an, in welchem Umfang der Akku genutzt werden kann. Typischerweise beträgt die Spannung 12 Volt. Im LKW-Bereich werden oft zwei Akkus in Reihe geschaltet, um eine Bordspannung von 24 Volt zu erreichen.
Die Kapazität gibt an, wie viel Strom gespeichert werden kann und wird in Amperestunden (Ah) angegeben. Ein 80-Ah-Akku könnte theoretisch eine Stunde lang 80 Ampere liefern oder 80 Stunden lang 1 Ampere. Die tatsächlich entnehmbare Kapazität ist allerdings niedriger, da der Akku danach beschädigt wäre.
Die Nennkapazität gibt an, wie viel Ladung innerhalb von 20 Stunden bis zur Entladeschlussspannung von 10,5 Volt bei konstantem Entladestrom und 25 Grad Celsius entnommen werden kann. Die Nennkapazität beschreibt also die tatsächlich nutzbare Kapazität des Akkus.
Der Kälteprüfstrom drückt die Fähigkeit des Akkus aus, bei niedrigen Temperaturen genügend Startstrom bereitzustellen. Eine wichtige Kenngröße, die in der DIN 50342 geregelt ist.
Alterung und Pflege des Akkus
Die Alterung eines Akkus kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden. Einer davon ist Materialverlust: Beim Entladen und Laden entstehen mechanische Spannungen an den mit Paste bestrichenen Gittern der Elektroden. Diese Spannungen führen dazu, dass sich Material aus dem Gitter löst und in der Batterie zu Boden sinkt. Dadurch nimmt die Materialstärke und die elektrisch aktive Oberfläche ab, und der Akku verliert an Stärke und Kapazität.
Erschütterungen haben den gleichen Effekt und beschleunigen die Alterung zusätzlich. Um ein Kurzschließen zwischen den Platten zu verhindern, ist der Boden der Autobatterie wie eine Art Wanne gestaltet. Dennoch bieten auch EFB/AFB-, Gel- und AGM-Akkus Lösungen für diese Probleme.
Ein weiterer Faktor, der die Alterung beeinflusst, ist falsches Entladen und Laden. Dabei entstehen Sulfatkristalle, die eine schlechte Leitfähigkeit haben und nicht mehr aktiv am Ladeprozess teilnehmen können. Hohe Ströme lassen feine Kristalle wachsen, während niedrige Entladeströme große Kristalle erzeugen. Daher verkürzt eine dauerhafte Entnahme von niedrigen Strömen die Lebensdauer eines Starterakkus.
Auch die Zeit spielt eine Rolle: Fahrzeuge, die über längere Zeiträume nicht genutzt werden, können zu großen Kristallen führen, da die kleinen Kristalle zusammenwachsen können. Je leerer der Akku dabei ist, desto stärker ist das Wachstum.
Um das Kristallwachstum zu reduzieren, sollte der Akku so oft wie möglich vollgeladen gehalten werden und seinem Zweck entsprechend genutzt werden. Ein Starterakku ist für den Fahrzeugstart gedacht und liefert bestenfalls kurzzeitig hohe Ströme.
Die Wartung der Autobatterie
Eine Autobatterie verliert während des Betriebs Wasser. Bei wartungsfreien Batterien entweicht das Wasser als Gas, das beim Laden entsteht. Zu viel Ladespannung führt zur Überhitzung und zum Gasen, wodurch hochexplosiver Wasserstoff entsteht. Wartungsfreie Batterien verfügen über Labyrinthdeckel, die den Wasserverlust minimieren.
Die Flüssigkeitsmenge im Akku kann bei wiederauffüllbaren Batterien kontrolliert und ergänzt werden. Für diesen Fall sollte ausschließlich destilliertes Wasser verwendet werden.
Wartungsfreie Autobatterien sind ebenfalls in Bezug auf die Lebensdauer vorteilhaft. Sie verfügen über Möglichkeiten, den Wasserverlust zu minimieren, wie beispielsweise Labyrinthdeckel, die das Wasser kondensieren und zurückfließen lassen.
Unterschiedliche Akkutypen
Es gibt verschiedene Akkutypen, die auf dem Blei-Säure-Prinzip basieren, aber das Problem der Alterung angehen. EFB/AFB-Akkus verwenden ein robusteres Gitter und ein Polyestergewebe, um den Materialverlust zu reduzieren. Bei Gel- und AGM-Batterien ist das Elektrolyt in festem Material gebunden. Gel-Akkus verwenden Kieselsäure, um die Schwefelsäure zu binden, während AGM-Batterien Glasfasermatten verwenden. Dadurch können diese Akkutypen auch lageunabhängig betrieben werden.
Gel- und AGM-Batterien sind nahezu immun gegen die Säureschichtung, da sie das ungleiche Verteilen der Schwefelsäure im Akku unterbinden. Dadurch wird das Wachstum von Sulfatkristallen reduziert.
Starter- und Verbraucherbatterien
Autos werden in der Regel mit einem Starterakku ausgeliefert, der ein “nasser” Blei-Säure-Akku ist. Dieser Akkutyp kann kurzzeitig hohe Ströme abgeben, was für den Fahrzeugstart erforderlich ist. Verbraucherbatterien haben dickere Platten und sind oft als AGM-, EFB/AFB- oder Gel-Akkus ausgelegt. Diese Akkus vertragen tiefere Entladungen besser und sind zyklenfester. Es ist wichtig, den Akkutyp gemäß seinem Einsatzzweck zu nutzen.
Das Laden des Akkus
Damit der Akku möglichst lange hält, ist es wichtig, ihn regelmäßig vollgeladen zu halten. Beim Laden sollte darauf geachtet werden, dass dies an gut belüfteten Orten geschieht, da beim Laden Gase entstehen. Eine Überladung sollte vermieden werden, um eine lange Lebensdauer des Akkus sicherzustellen.
Es gibt verschiedene Ladeverfahren für die unterschiedlichen Akkutypen. Beim Blei-Säure-Akku ist das IU-Verfahren üblich, bei dem zuerst mit einem konstanten Strom geladen wird und dann auf eine konstante Spannung umgeschaltet wird. Während des Ladens reduziert sich der Ladestrom, bis er unter einen bestimmten Wert fällt.
Die Lichtmaschine und der Laderegler im Fahrzeug sind für das Laden des Startakkus verantwortlich. Moderne Fahrzeuge verfügen über eine temperaturgeregelte Ladetechnik, während Hybrid- und Stopp-Start-Fahrzeuge andere Batterietypen verwenden und eine ausgefeiltere Laderegelung haben.
Ladegeräte
Um den Akku zu Hause oder bei einer Zweitbatterie im Fahrzeug aufzuladen, können Ladegeräte verwendet werden. Wichtig ist dabei, dass der Akku vollständig geladen wird, um seine Lebensdauer zu verlängern. Ladegeräte mit IUoU-Ladeverfahren und wählbaren Ladekurven sind ideal, da sie den Akku zunächst mit einem konstanten Strom laden und dann auf eine Ladeerhaltungsspannung umschalten.
Fazit
Um eine möglichst lange Lebensdauer der Autobatterie zu erreichen, ist es wichtig, den Akku regelmäßig vollgeladen zu halten und ihn entsprechend seinem Zweck zu nutzen. Erschütterungen und extreme Temperaturen sollten vermieden werden, und bei nicht wartungsfreien Batterien sollte der Flüssigkeitsstand regelmäßig kontrolliert werden.
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