Anleitung zur Kapazitätsmessung einer Yachtbatterie

Die Kapazitätsmessung gibt Aufschluss darüber, wie gut eine Batterie noch arbeitet

Batterien auf Yachten sind sehr wichtig, um Strom zu speichern, der auf See oder am Ankerplatz genutzt werden soll – beispielsweise für die Navigationsinstrumente, die Beleuchtung, die Kühlung oder den Autopiloten. Sind die Batterien auf einer Yacht viele Jahre im Einsatz, lässt mit der Zeit leider ihre Kapazität nach. Leider gibt es keine Universalanzeige für den Zustand der Batterie an Bord einer Yacht. Dennoch gibt es eine Möglichkeit, die Kapazität einer Batterie mit einfachen Mitteln zu prüfen. Wie das gelingt, stellen wir in dieser Anleitung ausführlich vor.

Hinweis: In unserem Beispiel wird eine auf den meisten Yachten gebräuchliche bleibasierte Batterie mit einer Spannung von 12 Volt verwendet. Die hier vorgestellte Methode zur Kapazitätsmessung einer Yachtbatterie funktioniert jedoch für alle Batterietypen (Blei-Säure, Gel, AGM, Lithium) sowie für Batterien mit anderer Spannung, wie beispielsweise 24 Volt. Außerdem kann der Test sowohl auf eine Starter- als auch auf eine Bordnetzbatterie angewendet werden.

Physikalische Angaben auf Yacht-Batterien

Vier Angaben auf einer Yachtbatterie sind für den Segler wichtig. Die erste ist die Bauform (Lithium oder Blei-Säure), die zweite die Spannung, die dritte ist die Menge des Stroms (genauer die Ladung), der gespeichert werden kann, und die vierte die maximale Leistung, die kurzzeitig entnommen werden kann.

Neben der durch das Bordnetz vorgegebenen Spannung ist für den Segler die Kapazität einer Batterie von zentraler Bedeutung. Sie gibt an, wie viel Energie in einer Batterie gespeichert werden kann. Vereinfacht gesagt, kann sie auch mit der Literangabe eines Tanks verglichen werden. Die Maßeinheit für die Kapazität einer Batterie sind Amperestunden (Ah). Dazu wird gemessen, wie viele Stunden (h) lang eine Batterie, vom vollständig geladenen Zustand bis zur Entladeschlussspannung, eine bestimmte Stromstärke in Ampere (A) liefern kann. Die entnommene Stromstärke wird dann mit der Zeit multipliziert.

Ein Beispiel: Eine Batterie kann bis zur Entladeschlussspannung zwanzig Stunden lang eine konstante Stromstärke von fünf Ampere liefern. Daraus ergibt sich die Formel: 20 h x 5 A. Die Batterie hat im Ergebnis eine Batteriekapazität von 100 Ah.

Der Füllstand einer Batterie wird in der Fachsprache State of Charge (SoC) genannt. Mit der Alterung einer Batterie entstehen Ablagerungen in ihrem Inneren, die die mögliche Füllmenge der Batterie beeinflussen – quasi so, als wenn jemand Steine in den Wassertank legen würde.

In unserem Vergleich erscheint der Wassertank (also die Batterie) noch voll, in der Realität ist aber nur noch ein Teil des Inhalts Wasser (also verfügbarer Strom). Der Rest des Platzes im Tank wird durch die Ablagerungen blockiert (rote Steine). Wie viel Kapazität die Batterie durch Verschleiß eingebüßt hat, kann an einem Parameter, der sich State of Health (SoH) nennt, erkannt werden. Ist die Batterie neu, liegt der Wert bei 100 Prozent. Mit der Zeit nimmt er ab.

Der Zustand einer Batterie lässt sich folglich direkt aus der noch verfügbaren Kapazität ableiten. Dazu gibt es auch eine deutsche Industrienorm (DIN). DIN-Norm 43539/Teil 4 definiert, dass die Lebensdauer einer Batterie überschritten ist, wenn sie weniger als 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität aufweist (SoH = 80 Prozent). In der Realität kann so eine Batterie auf einer Yacht zwar noch weiter genutzt werden, sie erreicht immer noch die erforderliche Spannung, speichert nur nicht mehr so viel Strom.

Achtung: Zu lange sollte die Batterie nicht weiterverwendet werden. Irgendwann werden die Ablagerungen zu einem Zellschluss führen. Wird die Batterie dann geladen, kann es gefährlich werden!

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So kann die Kapazität einer Yachtbatterie gemessen werden

Um den Zustand einer Yachtbatterie zu bestimmen, muss untersucht werden, ob die Angaben zur Kapazität auf der Batterie noch der Realität entsprechen. Dazu muss zunächst in den Herstellerangaben herausgefunden werden, wann die Batterie voll ist und wann sie als leer gilt.

In den meisten Fällen gilt eine Batterie als voll, wenn sie im Ruhezustand eine Spannung von 12,8 Volt hat, und als entladen, wenn die Spannung unter 10,8 Volt sinkt. Dann ist die Batterie leer und kurz vor der Tiefenentladung, die sie schädigen kann.

Für die Kapazitätsmessung einer Yachtbatterie wird eine stabile Last benötigt, also ein Verbraucher, der über mehrere Stunden konstant Strom aus der Batterie entnimmt – beispielsweise eine 12-Volt-Glühbirne. Der Bordkühlschrank ist übrigens nicht geeignet, da er über die Zeit den Verbrauch verändert.

Tipp: Die Leistung von Verbrauchern wird in Watt (W) angegeben. Die Formel der elektrischen Leistung lautet P (Leistung in Watt) = U (Spannung in Volt) x I (Stromstärke in Ampere). Soll beispielsweise eine 12-Volt-(V)-Batterie mit einer Stromstärke von fünf Ampere (A) belastet werden, ergibt sich die Formel 12 V x 5 A = 60 W. Folglich wird ein Verbraucher mit 60 Watt benötigt.

Bevor mit dem Test begonnen werden kann, muss noch eine physikalische Besonderheit bei der Entladung von Batterien beachtet werden. Je stärker eine Batterie belastet wird, umso mehr nimmt die entnehmbare Energie ab. Dieses Phänomen wird Peukert-Effekt genannt. Es macht also keinen Sinn, einen starken Verbraucher an die Batterie zu hängen, um den Entladeprozess zu beschleunigen.

Umgekehrt haben Batterien die beste Leistungsabgabe, wenn sie langsam, also mit einer geringen Last, entladen werden. Um einen Vergleichswert zu schaffen, ist es unter Herstellern üblich, die Batterie so zu belasten, dass sie in 20 Stunden entladen wird.

Um die Kapazität einer Batterie zu messen, wird sie also am besten mit 5 Prozent ihrer Kapazität pro Stunde entladen. Wenn sie das über zwanzig Stunden schafft, hat sie noch ihre volle Kapazität. Eine Batterie mit 100 Ah müsste also mit einer Last von fünf Ampere zwanzig Stunden belastet werden können. Die zuvor gezeigte Autoglühbirne wäre also perfekt, um eine 100-Ah-Batterie zu testen. Theoretisch müsste sie nur direkt an die vollgeladene Batterie gehängt und beobachtet werden. Brennt sie zwanzig Stunden lang, hat die Batterie noch ihre volle Kapazität.

Es wäre jedoch ein schwer realisierbarer Aufwand, die Glühbirne zehn bis zwanzig Stunden lang im Blick zu behalten und dabei die Zeit zu stoppen, bis sie erlischt. Hinzu kommt, dass die Glühbirne, wenn auch etwas schwächer, noch weiterleuchten würde, wenn die Entladeschlussspannung erreicht ist, und die Batterie in eine schädliche Tiefenentladung ziehen würde.

Nur wenn der Zeitpunkt der Entladeschlussspannung genau festgestellt wird, kann genau ermittelt werden, wie viel Prozent ihrer Kapazität die Batterie noch hat. Dennoch, wer keine der folgenden Hilfsmittel zur Verfügung hat, kann sich so zumindest einen groben Überblick verschaffen. In unserem Beispiel könnte beispielsweise nach 16 Stunden nachgeschaut werden, ob die Birne noch brennt und gleichzeitig mit einem Voltmeter überprüft werden, ob die Spannung der Batterie noch über der Entladeschlussspannung liegt. Dann hätte die Batterie noch mindestens 80 Prozent ihrer Kapazität und entspräche der Norm (DIN).

Achtung: Um eine Beschädigung durch Tiefenentladung zu vermeiden, sollte die Batterie danach nicht weiter belastet werden, ohne das Voltmeter im Blick zu behalten.

Genauer ist es, die entnommenen Amperestunden zu zählen, bis die Batterie den Entladezustand erreicht hat. Wer einen Batteriemonitor an Bord hat, kann das sehr genau damit erledigen.

Wichtig ist es zu beachten, dass der Batteriemonitor vor der Kapazitätsmessung der Yachtbatterie auf Null zurückgesetzt wird, und keine weiteren Ladegeräte oder Verbraucher als die definierte Testlast mit der Batterie zu verbinden. Wer keinen Batteriemonitor hat, kann auch einen wesentlich günstigeren Amperestundenzähler aus dem Elektronikhandel dafür einsetzen.

Um eine genaue Messung durchführen zu können, muss noch sichergestellt werden, dass nach dem Unterschreiten der Entladeschlussspannung kein Strom mehr aus der Batterie entnommen wird. Das ist nicht nur wichtig für ein exaktes Messergebnis, sondern auch gesünder für die weitere Lebensdauer der Batterie. Dafür sorgt ein so genannter Tiefentladeschutz. Er trennt die Batterie von allen Verbrauchern, sobald eine definierte Spannung unterschritten wird.

Viele Yachten haben bereits einen Tiefentladeschutz an Bord verbaut. Eine sinnvolle Investition, um die Lebensdauer von Batterien zu erhöhen. Wer noch keinen hat, findet im Elektronikfachhandel günstige Lösungen, die ausreichend für die Kapazitätsmessung sind. Wichtig ist darauf zu achten, dass die Spannung, ab der das Gerät die Verbindung zur Batterie trennt, eingestellt werden kann.

Wichtig: Dauerhaft sollte nur ein hochwertiger Schutz gegen Tiefentladung an Bord verbaut werden. Fällt er aus, bricht die gesamte Stromversorgung erstmal zusammen.

Tipp: Wir haben einen günstigen Amperestundenzähler und einen Tiefentladeschutz in ein Gehäuse verbaut und damit ein eigenständiges Kapazitätsmessgerät gebaut. Wer auf den bordeigenen Batteriemonitor und Tiefentladeschutz zurückgreifen möchte, sollte diese möglichst ausbauen und direkt verbinden, damit keine eventuellen Fehler im Bordnetz das Ergebnis beeinflussen.

Für die Kapazitätsmessung der Yachtbatterie muss der Akku zunächst vollgeladen werden. Dann wird die Last mit dem (zurückgesetzten) Batteriemonitor oder Amperestundenzähler verbunden und dieser über den Tiefentladeschutz an die Batterie angeschlossen. Am Tiefentladeschutz muss der Wert in Volt eingestellt sein, ab dem die Batterie laut Hersteller als entladen gilt.

Irgendwann (im besten Fall nach zwanzig Stunden) wird die Spannung der Batterie die am Tiefentladeschutz eingestellte Entladeschlussspannung unterschreiten und die Last abschalten. Dieser Vorgang muss nicht beobachtet werden, da er automatisch geschieht. Nun kann im Batteriemonitor oder auf dem Amperestundenzähler nachgeschaut werden, wie viele Amperestunden die Batterie vom Voll- bis Leerzustand abgeben hat. Dieser Wert wird dann mit den Angaben auf der Batterie verglichen.

Wurden beispielsweise bei einer Batterie mit einer angegebenen Kapazität vom 100 Ah bis zur Abschaltung 85 Ah entnommen, hat sie einen Kapazitätsverlust von 15 Prozent. Damit kann sie zwar 15 Prozent weniger Strom speichern (SoH = 85 Prozent), befindet sich aber noch im Toleranzbereich der Industrienorm.

Fazit

Das Alter, Aussehen und selbst die Spannung geben nur wenig Aufschluss über den Zustand einer Batterie. So stehen Eigner vor der Frage: „Ist die Batterie noch gut oder muss sie ausgetauscht werden?“ Oft werden nach zwei bis drei Jahren die Batterien einfach ausgetauscht. Eine vermeintlich altersschwache Batteriebank sicherheitshalber auszutauschen, ist jedoch nicht nur ein vermeidbarer Kostenfaktor, sondern auch ein Minus in puncto Nachhaltigkeit. Batterien sind eine Umweltbelastung. Besser ist es, eine Batterie frühestens dann auszutauschen, wenn sie nicht mehr der Industrienorm entspricht. Aufschluss darüber gibt ein einfacher Test der Kapazität, wie er hier vorgestellt wurde.