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RubrikFahrzeugtechnik zurück
ThemaLadetechnik etc.1 Beitrag
AutorUlri8ch 8C., Düsseldorf / NRW412017
Datum28.06.2007 22:37      MSG-Nr: [ 412017 ]8105 x gelesen

Hallo,

weils anscheinend hier wieder im Datennirwana verschwunden ist, obwohl ich das schon mehrfach gepostet hab, weil ich sowas per PM immer blöd find, weil ich sonst vermutlich noch zig Anfragen angesichts der laufenden Beschaffungsdiskussion krieg hier nochmals der Auszug aus
http://www.einsatzpraxis.org/de/home/buecher/einsatzfahrzeuge_-_technik.html

Nur ganz im Ernst, wer Fahrzeuge von ca. 200.000 Euro kauft, hat wirklich kein Geld für geeignete Fachliteratur oder noch besser für Leute, die vom Fach sind?



4.3.1.5Auslegung der elektrischen Grundausstattung für Einsatzfahrzeuge

In der Regel sind die Fahrgestelle bereits ab Werk mit einer geeigneten Lichtmaschine ausgerüstet, die die normalen Anforderungen des Fahrbetriebes abdeckt. Gerade die spezifischen Anforderungen an Einsatzfahrzeuge (der Feuerwehr, aber auch von Rettungsdienst, THW oder Polizei) sind i.d.R. nur unzureichend in den Kennlinien und Leistungsdaten des Reglers oder aber des Generators/Fahrgestells berücksichtigt. Die besonderen spezifischen Anforderungen und Probleme sind:

- (Nenn)-betriebsdrehzahl Fahrzeugmotor
Einsatzfahrzeuge werden, wie andere Fahrzeuge auch, im Mischbetrieb bei wechselnden Fahrgeschwindigkeiten in der Stadt oder auf dem Land eingesetzt. Gerade der innerstädtische Fahrbetrieb (Stop and Go) oder aber für Löschfahrzeuge z.B. der Betrieb an der Einsatzstelle im Pumpenbetrieb (erhöhte Nenndrehzahl) offenbart teilweise erhebliche Probleme. Im Gegensatz zum normalen Fahrbetrieb findet der überwiegende Anteil des Feuerwehrbetriebes im niedrigen Drehzahlbereich des Fahrzeugmotors statt. Dies ist dann auch i.d.R. der Kennlinienbereich der Lichtmaschine, der die geringste Stromerzeugung beinhaltet. Der Generator erzeugt aufgrund seiner niedrigen Drehzahl (zu) wenig Strom, um das Gesamtsystem ausreichend zu versorgen. Berücksichtigt man dann noch die teilweise stunden- oder tagelange Einsatzdauer bzw. den Einsatzfall ?Nacht? (erfordert zusätzlich (Umfeld-)Beleuchtung), so wird das Problem weiter verschärft.
Hinweis: Für bestehende ?Elektrikprobleme? ist diese Ursache besonders wahrscheinlich, wenn durch das Erhöhen der Motordrehzahl (Gas geben) die Beleuchtungsstärke der Umfeld- und Innenraumbeleuchtung zunimmt oder das Funkgerät plötzlich wieder funktioniert.

Abb. 4.3.1.5/1: Drehzahlkennlinie Lichtmaschine (Grafik: Lang)

- Temperaturabhängigkeit
Die Verlustwärme des Generators (sie entsteht auf jeden Fall), die herrschende Umgebungstemperatur sowie die Wärmeabstrahlung von Motor und Auspuffanlage haben große Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des Generators. Eine zusätzliche Verschärfung des Problems tritt dann ein, wenn der Motor in gekapselter Bauweise zum Zwecke der Schalldämpfung aufgeführt ist. Die Ursache ist im Aufbau des Drehstromgenerators begründet. Der integrierte Gleichrichter besteht aus Halbleiterdioden. Ihre Funktionsfähigkeit ist, wie bei allen anderen Halbleiterelementen auch, entscheidend von der Umgebungs- bzw. Bauteiltemperatur abhängig. Überschreitet die Temperatur gewisse Grenzen so ist der Halbleiter nicht mehr funktionsfähig und ein sicherer Betrieb nicht mehr gewährleistet. Je nach Generatortyp liegt die max. zulässige Umgebungstemperatur bei ca. 70 bis 130 °C. Zum Schutz der Batterie wird bei modernen Ladereglern bei voller warmer Batterie niedriger und bei kalter Batterie höher reguliert.
Die Temperaturkompensation funktioniert allerdings nur dann richtig, wenn Batterie und Regler ein gleiches Temperaturniveau aufweisen.

- Elektrische Zusatzausrüstung
Gerade im Sonderfahrzeugbau Feuerwehr (aber auch für den Rettungsdienst oder das THW) passiert es immer wieder, dass eine erhebliche elektrische Zusatzausrüstung (z.B. Warnanlage, Funk, Umfeldbeleuchtung, Standheizung) neu oder nachträglich installiert wird, ohne über die Konsequenzen nachzudenken. Häufig bleibt unbeachtet, dass das vorhandene Bordnetz oder der installierte Drehstromgenerator für die hinzukommende Verbraucherleistung gar keine Leistungsreserven mehr aufweist und die zusätzliche Leistung nicht erbringen kann.
In der Gesamtkonzeption des elektrischen Bordnetzes nimmt der Drehstromgenerator eine Schlüsselstellung ein. Er versorgt i.d.R. nicht nur im Fahrbetrieb alle elektrischen Verbraucher, sondern sorgt zudem auch für eine ausreichende Ladung der Fahrzeugbatterie(-n). Ist der elektrische Leistungsbedarf höher als die erzeugte Leistung, so wird die entstehende Leistungsdifferenz aus der Batterie gepuffert bzw. entnommen. Da dieser Puffer nicht unerschöpflich ist, kommt es je nach Leistungsabnahme früher oder später zum Versagen, d.h. Ausfall des Systems.


4.3.1.5.1Lösungsansätze für Drehstromgeneratorprobleme

Immer häufiger kommt es bereits bei Neufahrzeugen, aber auch bei Nachrüstungen zu Problemen. Zur Behebung von Generatorproblemen empfiehlt sich ein strukturiertes Vorgehen und eine gezielte Fehleranalyse, so dass unter Umständen zeit- und kostenintensive Maßnahmen vermieden werden können. Die nachfolgenden Ansätze sind in Ergänzung zum Kap. 4.3.1.6 zur Ladetechnik zu sehen. Nur eine kombinierte Beachtung und Anwendung beider Thementeile kann letztlich erfolgreich sein und die Ausfallwahrscheinlichkeit deutlich reduzieren.

- Fehleranalyse
Die nachfolgenden (Schlüssel)fragen) können einen ersten Ansatz bieten. Zusätzlich ist es aber in jedem Fall sinnvoll, sich intensiver mit den elektrischen Verbrauchern, der Energiebilanz und der Lichtmaschine zu beschäftigen.
o Liegt ein Wärme(stau)problem vor?
o Ist der Temperaturfühler für den Drehstromgenerator defekt oder abgefallen?
o Sind alle Komponenten technisch in Ordnung?
o Sind Drehstromgenerator und Batterie technisch einwandfrei und voll geladen?
o Tritt ein Versagen der elektrischen Anlage erst nach einiger Betriebszeit auf?
o Werden keine elektrische Verbraucher mit hoher Leistung schlagartig ab- oder zu geschaltet?
o Sind in der letzten Zeit elektrische Verbraucher zusätzlich installiert worden?

- Erstellen einer Energiebilanz für alle Verbraucher
Als Basis weiterer Überlegungen muss zunächst eine Energiebilanz für alle elektrischen Verbraucher erstellt werden. Hierbei muss die elektrisch benötigte Leistung auch in den Zusammenhang zur Nutzungsdauer gebracht werden.

- Ermitteln der Generator- oder Lichtmaschinenleistung
Bei Neufahrzeugen sollte möglichst von vornherein der größte verfügbare Drehstromgenerator geordert werden. Für Alt- und Neufahrzeuge sollte die maximal nutzbare Generatorleistung für die drei Betriebszustände
a) Leerlauf
b) erhöhte Nenndrehzahl
(Nebenabtrieb eingeschaltet und synchronisiert, ?normale? Pumpendrehzahl)
c) mittlere Drehzahl
(entspricht Durchschnittgeschwindigkeit in der Stadt oder auf dem Land)
ermittelt werden. Dies kann von jedem KFZ-Betrieb oder selbst mit einer geeigneten Stromzange durchgeführt werden.


4.3.1.5.2Energiebilanz und Generatorleistung

Generell sollte das System so konzipiert sein, dass auch im Betriebszustand ?Leerlauf? die benötigte elektrische Verbraucherleistung bereitgestellt werden kann.

Dies kann allerdings nur dann geschehen, wenn die Lichtmaschine über eine entsprechende Leistungsreserve verfügt und die Leistung überhaupt liefern kann!

Ist die erzeugte Generatorleistung zu gering und die Energiebilanz negativ, so können nachfolgende Lösungsmöglichkeiten Erfolg bringen:

- Einbau eines leistungsfähigeren Drehstromgenerators
- Ändern der Übersetzungsverhältnisse:
Durch Verwendung anderer passender Riemenscheiben kann die Drehzahl der Lichtmaschine angepasst bzw. geändert werden. Hierbei ist dann aber das gesamte Drehzahlspektrum der Fahrzeugmotors zu überprüfen und zu berücksichtigen.
- Ändern der Leerlaufdrehzahl:
Bei modernen Fahrgestellen mit CAN Bus Technik besteht die Möglichkeit verschiedene Betriebszustände zu definieren. So wird z.B. bei der DLK 23/12 Metz auf Econic 1828LL der Feuerwehr Düsseldorf im Falle einer zu niedrigen Bordnetzspannung automatisch die Motordrehzahl um ca. 200 min-1 erhöht und die Batterie entsprechend effektiv nachgeladen.
- Abschaltung von Verbrauchern:
Kann die Generatorleistung durch obige Maßnahmen nicht signifikant erhöht werden, so bietet sich als letzte Möglichkeit nur noch das zeitweilige (automatische) Abschalten der elektrischen Verbraucher zur Sicherstellung des (Not-)Betriebes an. Diese Maßnahme sollte dann aber an der Einsatzstelle so früh wie möglich erfolgen!

Alternativ zu obigen Maßnahmen wird auch heute immer noch von vielen Maschinisten durch Betätigen des Gaspedals (?richtiges? Gasgeben) eine Verbesserung der Energiebilanz angestrengt. Von dieser Lösungsmöglichkeit ist eher abzuraten, da diese Methode einerseits nicht ohne Veränderung der Nebenabtriebsdrehzahl (z.B. Pumpendrehzahlerhöhung) möglich ist, andererseits angesichts der technischen Alternativen und der erforderlichen Betriebszeiten zum Erreichen eines effektiven Ladungszustandes der Batterie nicht geeignet ist.


4.3.1.6Batterien und deren Ladung

In allen Sonderfahrzeugen von Feuerwehr, Polizei, THW und anderen Hilfsorganisationen findet man heute fast ausschließlich die konkurrierenden Systeme von Naß- und Gelbatterien. Eine Aufstellung der wesentlichen Vor- und Nachteile soll dem Anwender als Entscheidungshilfe dienen. Allen Applikationen, egal ob mit Naß- oder Gelbatterien realisiert, muss die exakte Definition eines Anforderungsprofiles vorausgehen (vgl. Kap. 4.3.1.5).

Die Leistungsfähigkeit einer jeden Batterie wird durch die Anforderungen bzw. die Anwendung, den Aufbau und die bauliche Konstruktion bedingt. Es existieren verschiedene Arten mit speziellen Kennwerten. Die nachfolgend erläuterten Arten beschränken sich auf die Batterietypen, die hauptsächlich im Fahrzeugbereich Verwendung finden. Die Kennwerte oder Bezeichnungen erleichtern dem Anwender die richtige Wahl der Batterie. Die wichtigsten Kennwerte sind dem Typenschild der Batterie zu entnehmen. Auf Ihm befindet sich neben firmen internen Bezeichnungen oder der DIN Typnummer (Bauform), die Nennspannung, die Nennkapazität und der Kälteprüfstrom

Beispiel: 12V 450A120Ah
- Nennspannung 12 V: Gibt die Spannungsabgabe an den beiden Batteriepolen an. Die tatsächliche Spannung hängt vom Ladezustand ab und kann durchaus abweichen
- Kälteprüfstrom: Eine Stromstärke, die der Batterie bei -18°C entnommen werden kann, ohne dass die Spannung der Batterie innerhalb von 30 s unter 9 V oder in 150 s unter 6 V sinkt
- Nennkapazität 120 Ah: Sie ist die Kapazität, die bei vollgeladener Batterie bei 20-stündiger Entladung und 27°C Elektrolyttemperatur abgegeben werden kann.

In der Wartungsfreiheit der Batterien existieren erhebliche Unterschiede, die man aufgrund der unterschiedlichen Bauformen leicht übersieht. Auffälligstes Unterscheidungsmerkmal ist der Einfüllstopfen zum Auffüllen des Säurestandes. Die Bezeichnung ?Wartungsfrei nach DIN? bedeutet aber lediglich eine Verringerung der Selbstentladung und des Wasserverbrauches. Unter Normalbedingungen soll sich der Elektrolytstand innerhalb von zwei Jahren nicht ändern. Trotzdem ist eine regelmäßige Pflege/Wartung zur Sicherstellung der Funktion notwendig! Fehlt der Einfüllstopfen so kann man davon ausgehen, dass keine Wartungsarbeiten erforderlich sind. Einige Hersteller bezeichnen ihre Batterien auch mit dem Zusatz ?absolut wartungsfrei?. Diese Eigenschaft besitzen alle auf dem Markt erhältlichen Gel-Batterien.

Starter- und Zusatzbatterien, häufig auch Versorgungsbatterien genannt, unterscheiden sich prinzipiell in ihrem Aufbau. Ihre spezielle Platten- und Elektrodenkonstruktion ermöglicht der Zusatzbatterie die konstante Leistungs- bzw. Stromabgabe über einen langen Zeitraum, nicht aber die Lieferung hoher Startströme egal bei welchen Temperaturen! Da die Abmessungen der Batterie sich nur geringfügig vom Standardtyp mit Starteigenschaften unterscheidet, kann die Identifizierung sicher nur mit Hilfe des Typenschildes erfolgen. Hier fehlt dann die Angabe des Kälteprüfstromes.
Für einen Austausch mit der Starterbatterie ist die Zusatzbatterie nicht geeignet. Die Verwendung einer Zusatzbatterie in einer Startapplikation und sei es nur als Notstarthilfe in einem RTW oder NEF über ein Batterietrennrelais o.ä. führt sicher zur dauerhaften Schädigung und dem sofortigen oder späteren Versagen der Stromversorgung!

Reine Zusatzbatterien sollten nur dann Verwendung finden, wenn sie keine (Not-) Startfunktion übernehmen müssen (bspw. USV im ELW 2).

Vorsicht ist geboten, wenn selbstständig in ein 24 V Bordnetz 12 V Verbraucher (Ladehalterung für Funkgeräte, Lampen) eingebaut werden. Der Einfachheit halber werden diese oft an den beiden Polen einer Batterie mit einer Sicherung abgegriffen. Dies führt aber zu einer sogenannten Schrägladung der Batterie, was zur Folge hat, dass ein 24 V Batterieladegerät eine Batterie überlädt und die andere zuwenig geladen wird. Die Lebensdauer der Batterien ist dadurch sehr stark eingeschränkt und kann unter einem Jahr liegen.
Die richtige Vorgehensweise ist, dass die 24 Volt der beiden in Serie geschalteten Batterien mit einem Spannungswandler auf 12 V reduziert werden und somit beide Batterien gleichmäßig belastet werden.

Viele moderne Fahrzeuge (Vito/Viano) haben einen bedeutend höheren
Stromverbrauch, wenn nur der Zündschlüssel angesteckt ist. Aus diesem Grund
sollte bei Einsatzfahrzeugen dieser Bauart der Schlüssel in der Garage nicht
im Zündschloss aufbewahrt werden sondern z.B. daneben hängen oder am
Armaturenbrett liegen.

4.3.1.6.1Batteriearten

Naßbatterien

Blei-Säure-Batterien werden seit über 100 Jahren in der Automobilindustrie und Gerätetechnik als kostengünstige Energieträger eingesetzt. Prinzipiell bestehen sie aus einer Vielzahl von positiven und negativen Plattenblöcken, die mittels Zellenverbindern zusammengefügt sind. Die Einzelspannung eines einzelnen Plattenblocks beträgt nominell 2 V, so dass für eine 12 V Batterie sechs Blöcke zusammengefaßt werden müssen. Vor Inbetriebnahme einer Naßbatterie muss noch der Elektrolyt Schwefelsäure eingefüllt werden. Nach einer Einwirkzeit von ca. 30 min ist die Batterie betriebsbereit.
Über den Ladezustand der Batterie gibt die mit einem Säureheber messbare Säuredichte Auskunft.
Beim Laden ist darauf zu achten, dass die Verschlussstopfen der einzelnen Batteriezellen geöffnet werden, wenn mit hohen Strömen ?schnell-geladen? wird, damit die beim Laden entstehenden Gase entweichen können.
Besonders Blei-Säure-Batterien besitzen eine hohe Selbstentladung. Sie erfolgt im Innern der Batterie und ist stark von den Umgebungsbedingungen abhängig. Vor allem Wärme beschleunigt den Vorgang. Unter ?normalen? Umgebungstemperaturen (20 °C) beträgt die Selbstentladung ca. 0,5 % pro Tag. Dies bedeutet, dass eine volle Batterie nach ca. 2 - 3 Monaten soweit entladen ist, dass eine Betriebsicherheit nicht mehr gegeben ist. Wird dann nicht zeitnah die Batterie aufgeladen, so droht eine langfristige Schädigung der Batterie. Sie wird dann u.U. nie mehr ihre volle Leistungsfähigkeit besitzen. Für den Anwender bedeutet dies, dass er unbefüllte Batterien problemlos auch langfristig lagern kann. Sind Batterien mit dem Elektrolyten bereits befüllt, so beginnt bereits ab dem Befülldatum der erforderliche Wartungsaufwand. Dieses sollte auf der Batterie entsprechend vermerkt sein.
Häufig wird bereits hier der erste Fehler gemacht: In der Regel werden die Fahrgestelle zwar mit bereits gefüllten und neuen Batterien ausgeliefert, beim Aufbauer erfolgt dann die weitere Komplettierung des Fahrzeuges, die häufig auch mehrere Monate dauert. Sorgt der Aufbauer während der Fertigung nicht für eine entsprechende Wartung, so sind spätere Probleme durch die frühe Batterieschädigung nicht ausgeschlossen. Hier ist es ratsam, nicht nur den Füllstand und Ladezustand der Batterien im Rahmen der Fahrzeugabnahme zu überprüfen, sondern nach erfolgter Aufladung die Batterien mit einem geeigneten Belastungsmesser zu überprüfen.
Hinweis: Bei 24 V Systeme sollten beide Batterien getrennt aufgeladen und auch geprüft werden!


Vorteile
- preiswert
- ausgereifte ?alte? Technik
- überall im Fachhandel verfügbar
- preiswerte Standard-Ladetechnik (meist schon vorhanden)

Nachteile
- regelmäßiger Wartungsaufwand notwendig (nur mit beschränkter Wartungsfreiheit lieferbar)
- Ausgasung (Ex-Gefahr durch Knallgasbildung)
- Tiefentladung führt in der Regel zum Totalschaden der Batterie
- Kürzere Lebensdauer (weniger Lade-/Entladezyklen möglich)
- erst nach Befüllen des Elektrolyten betriebsbereit
- hohe Selbstentladung
- für spezielle ?geschlossene? Anwendungen (Inneneinbau, Sitzkasten) ungeeignet und teilweise verboten
- für extreme Anforderungen (hohe Schlag und Rüttelfestigkeit, bspw. Einsatz als Starterbatterie im Rettungsboot) ungeeignet
- geringere nutzbare Kapazität (nur 30-50% Entladetiefe)
- schlechte Hochstromtauglichkeit (Kurzstreckenbetrieb)
- durch spezielle Ladeparameter der Gelbatterien ist kein Mischbetrieb möglich!


Gelbatterien

Neben den altbekannten Naßbatterien werden zunehmend Gel-Batterien in speziellen Anwendungen eingesetzt. In den Gel-Batterien ist der Elektrolyt als Gel auslaufsicher gebunden. Es kann selbst bei einem Gehäusebruch keine Säure mehr austreten. Das Batteriesystem ist vollkommen geschlossen. Die bei jedem Lade- und Entladevorgang entstehenden Gase werden in der Batterie rekombiniert. Gel Batterien weisen in Betrachtung der Entladetiefe und Lebensdauer wesentlich bessere Eigenschaften auf. Während Naßbatterien je nach Ausführung um 30 - 50% der Kapazität ohne Schaden entladen werden können, sind bei Gel-Batterien teilweise bis zu 100 % möglich, da sie wesentlich unempfindlicher auf Tiefentladungen reagieren. In Haltbarkeitsprüfungen, wie dem Zyklentest nach DIN EN 60095 (Ermittlung der Anzahl an Lade und Entladevorgängen in Abhängigkeit der Entladetiefe), weisen sie zudem eine um das 2 - 3-fache erhöhte Lebensdauer auf. Als weiterentwickelte Varianten sind heute Hochstrombatterien mit hoher Rüttelfestigkeit erhältlich. Durch die Verwendung von spiralförmigen Rundzellen wird eine besonders niedriger Innenwiderstand erzielt. Dieser erlaubt eine besonders schnelle und hohe Stromaufnahme bzw. -abgabe.

Vorteil
- absolut wartungsfrei
- geringe Selbstentladung (0,1% pro Tag)
- Hohe Lebensdauer und Entladetiefe
- tiefentladesicher
- als Versorgungsbatterie erhältlich
- für spezielle ?geschlossene? Anwendungen (Inneneinbau, Sitzkasten) geeignet
- für extreme Anforderungen (hohe Schlag und Rüttelfestigkeit, bspw. Einsatz als Starterbatterie im Rettungsboot) geeignet
- gute Hochstromtauglichkeit (Kurzstreckenbetrieb)


Nachteil
- höherer Preis (3 - 5-fach)
- teure spezielle Ladetechnik, da eine Temperaturkompensation der Ladespannung ebenso wie eine höhere Ladespannung zwingend erforderlich ist. Alte Ladetechnik kann unter Umständen nicht mehr verwendet werden!
- durch spezielle Ladeparameter der Naßbatterien ist kein Mischbetrieb möglich!
- Nicht für alle DIN Typen einsetzbar bzw. austauschbar (Abmessungen und Bodenleiste)
- Serienmäßig nicht ab Werk lieferbar. Zusätzlicher Aufpreis, da Fahrgestell werkseitig in der Regel immer mit Naßbatterien ausgerüstet ist.


4.3.1.6.2Ladetechnik

Jede Batterie ist ein Energiespeicher mit begrenztem Volumen (Kapazität). Die vom Fahrgestell oder von Verbrauchern entnommene Energie muss der Batterie in Form von zusätzlich erzeugter Energie wieder vollständig in Form von Ladung zugeführt werden. Eine unzureichende Wiederaufladung führt langfristig zum Entleeren des Speichers, zu irreparablen Batterieschäden und damit zu Fahrzeug- und Technikausfällen. Da verschiedene Ursachen aufgrund von geringer Nutzung u.U. erst langfristige Wirkung zeigen, werden vielen Probleme häufig nicht erkannt und einfach nur durch Austausch von verschiedenen Komponenten augenscheinlich kurzfristig behoben. Bei einem Fahrzeug oder Generator ist im Fahrzeugbetrieb i.d.R. der Drehstromgenerator das einzige Hilfsmittel um die Batterie wieder zu laden. Gerade im Kurzstreckenbetrieb sind auch bei Verwendung von leistungsfähigen Drehstromgeneratoren zusätzliche unterstützende Ladevorrichtungen absolut notwendig. Eine Vollladung der Batterie ist nur mit Hilfe eines geeigneten Ladegerätes erreichbar. Zur Sicherstellung des Betriebes und Reduzierung der Ausfallzeiten und -kosten ist es erforderlich, alle Komponenten exakt aufeinander abzustimmen. Als erster Schritt muss eine Energiebilanz erstellt werden.


4.3.1.6.3Energiebilanz

Zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit eines Einsatzfahrzeuges ist die Aufstellung einer Energiebilanz von grundlegender Bedeutung. Nur durch exakte Betrachtung und Analyse von Stromverbrauchern, Einschaltzeiten und der geforderten Betriebszeit des Fahrzeuges läßt sich eine genaue Aussage über die notwendige Batteriekapazität, Ladetechnik und anderer elektrischer Ausstattung treffen. Es empfiehlt sich ein schrittweises Vorgehen:

- Betrachtung und Analyse aller Stromverbraucher
Im ersten Schritt werden alle erwünschten oder vorhandenen Stromverbraucher aufgelistet und bezüglich ihres elektrischen Leistungsbedarfes untersucht. Hierbei ist nicht nur die technische (Sonder-)Ausrüstung, sondern auch die serienmäßige Fahrgestelltechnik, wie z.B. Sitzheizung oder Klimaanlage zu berücksichtigen. Alle elektrischen Leistungsdaten sind auf Anfrage beim jeweiligen Aufbauer, Hersteller oder einer geeigneten NFZ oder KFZ Fachwerkstatt erhältlich.

Tab. 4.3.1.6.3/1: Ausschnitt Excel Tabelle NEF Düsseldorf (Tabelle: Lang)


- Einschaltzeiten der Stromverbraucher
Im zweiten Schritt werden für alle erwünschten oder vorhandenen Stromverbraucher die zu erwartenden Einschaltzeiten aufgelistet. Hierbei sind die speziellen und typischen Einsatzbedingungen wie Einsatzfahrt mit/ohne Horn oder Blaulicht, normale Fahrt, Betrieb an der Einsatzstelle mit/ohne Motor (Benutzung von Klimaanlage/Standheizung), etc. besonders zu berücksichtigen und zu unterscheiden.

- Einsatzdauern und -zyklen
Im dritten Schritt werden die zu erwartenden Einsatzparameter analysiert. Mit Hilfe von Einsatzprotokollen (z.B. Protokolle des Einsatzleitrechners) wird die tägliche Einsatzhäufigkeit, die durchschnittliche Einsatzdauer und die Verweildauer auf der Wache analysiert. Mit Hilfe dieser Einsatzdauern werden nun Einsatzzyklen definiert, die sich in einer definierten Reihenfolge laufend täglich wiederholen und typische Einsatzbedingungen wiederspiegeln. So ergab beispielsweise die Auswertung der ELR Protokolle für das NEF Düsseldorf der FRW 1 im Durchschnitt folgende Parameter :
- durchschnittliche Einsatzzahl 15 Stück/24h
- Anfahrtszeit durchschnittlich 10 min zur Einsatzstelle,
- Verweildauer zur Patientenbetreuung durchschnittlich 30 min
- Rückfahrt zum Krankenhaus durchschnittlich 20 min
- Patientenübergabe im Krankenhaus durchschnittlich 20 min
- Rückfahrt zum Standort durchschnittlich 10 min
- Verweildauer am Standort längstens 6 h pro Tag (24 h)

Tab. 4.3.1.6.3/2: Ausschnitt Excel Tabelle NEF Düsseldorf (Tabelle: Lang)


4.3.1.6.4Dimensionierung der Ladetechnik

Nach Erstellen einer Energiebilanz für alle elektrischen Verbraucher kann man schrittweise die einzelnen Parameter der Ladetechnik dimensionieren. Zu den wichtigsten Parametern zählen Batteriekapazität, Ladestrom und Generatorleistung.

- Lichtmaschinengröße oder Generatorleistung
Eine Schlüsselstellung im Gesamtsystem Ladetechnik nimmt der verbaute Drehstromgenerator ein. Aufgrund der Einsatzanforderungen ist zunächst bis auf wenige Ausnahmen (ländliche Strukturen) davon auszugehen, dass das Fahrzeug überwiegend im Leerlauf betrieben wird. Vielfach wird der Fehler gemacht, dass nur die Nennleistung des Generators berücksichtigt wird. Dies ist aber nur dann zutreffend, wenn der Generator überwiegend im Fahrbetrieb bei mittlerer bis hoher Geschwindigkeit betrieben wird. Im städtischen Einsatzbetrieb, vgl. Pumpenbetrieb, herrschen andere Parameter. Es ist empfehlenswert, die Leistung des Generators generell bei der Leerlaufdrehzahl zu betrachten, da dies den Betriebszustand mit der geringsten Leistungserzeugung darstellt. Sollte der Anteil der mittleren bzw. hohen Drehzahlen bspw. im ländlichen Bereich höher und damit die Energiebilanz positiver sein, so lassen sich ggf. die Batteriekapazität oder die benötigten Ladeströme geringer dimensionieren oder einfach eine Sicherheitsreserve für die Zukunft erzielen. Generell ist möglichst die größte serienmäßig verfügbare Lichtmaschine zu wählen. Heutzutage sind im 12 V Bereich Lichtmaschinen mit bis zu 2100 W Nennleistung (150 A) und im 24 V mit bis zu 2800 W (100 A) erhältlich. Bei Leerlaufdrehzahl beträgt die erzeugbare Leistung nur ca. 25 - 40 % der Nennleistung. Da die von der Lichtmaschine erzeugte Leistung i.d.R. nicht zur vollständigen Deckung des Leistungsbedarfes ausreicht, muss die zusätzlich benötigte Energie durch die Batterie bereitgestellt und gepuffert werden.

- Batteriekapazität und Ladeströme
Aus dem durch den Leerlauf- und Stopbetrieb der Lichtmaschine entstehenden Strom bzw. ungedecktem Leistungsbedarf muss in Abhängigkeit der Zeit (der vorher definierten Einsatzzyklen) die benötigte Batteriekapazität ermittelt werden. Wird beispielsweise im Leerlauf ein zusätzlicher Strombedarf von durchschnittlich 10A über 10 Einsatzstunden benötigt, so ergibt sich eine theoretische benötigte zusätzliche Kapazität von 10h*10A= 100 Ah. Diese ermittelte Kapazität muss noch durch die Kapazität erhöht werden, die notwendig ist, um alle Verbraucher zu speisen, die im Standbetrieb (ohne laufenden) Motor über einen gewissen Zeitraum betrieben werden sollen. Die so ermittelte theoretische Kapazität ist v.a. bei Naßbatterien noch um einen Sicherheitsfaktor von bis zu 50% zu erhöhen, da die Batterien nur eine begrenzte typabhängige maximale Entladetiefe besitzen und ein sicheres Starten jederzeit möglich sein soll. Die Kapazität ist aber mindestens so groß zu wählen, dass das Fahrzeug nach Absolvierung der Einsatzzyklen sicher gestartet und den nächsten (Lade-)Standort (230V) erreichen kann. Zur Reduzierung der Batteriekapazität ist ggf. eine Reduzierung der elektrischen Fahrzeugausstattung empfehlenswert.

Abb. 4.3.1.6.4/1: Beim NEF bzw. ELW 1 (VW T 4 mit TDS-Ausbau), vgl. Abb. 3.2.2.4/2, der Beschaffungsjahre in 2002 bzw. 2003 wurde in Düsseldorf auf die ursprünglich gewünschte Sitzheizung verzichtet, um die Energiebilanz ?in der Waage? zu halten. Hier im Bild die aufwändige Batterietechnik unter der eigens dafür konstruierten Sitzkonsole für die beiden Drehsitze im MR. (Foto: Cimolino)

Nach Erreichen des Ladestandortes muss die Ladetechnik so ausgelegt werden, dass die Batterien innerhalb der durchschnittlichen Verweildauer wieder möglichst vollständig aufgeladen werden können. Die sinnvollen Ladeleistungen liegen im Regelfalle bei ca. 10 bis 30% der Batteriekapazität. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass ein hoher Ladestrom immer auch die Lebensdauer der Batterie reduzieren kann.. So können z.B. mit einem 20 Ampere Ladegerät sinnvoll Kapazitäten zwischen 50 und 200 Ah geladen werden. Entscheidend für die Wahl des ?richtigen? Ladestromes ist die zur Verfügung stehende Ladezeit in den Einsatzpausen und eventuell gleichzeitig angeschlossene und permanent zu ladende Verbraucher (z.B. Medikamentenkühlbox im NEF) betrieben werden müssen. Diese Verbraucher reduzieren die zur Verfügung stehende Ladeleistung und müssen ebenfalls in die Dimensionierung eingebracht werden. Je höher die permanent benötigte Verbraucherleistung und je kürzer die Verweildauern an der Ladung umso höher ist der Ladestrom zu dimensionieren.
Auf das vorherige Beispiel bezogen, benötigt das Ladegerät bei leerer Batterie (50 Ah) unter Einbeziehung eines Wirkungsgrades von ca. 80 % rechnerisch ca. 3,1 h, für die 200 Ah Batterie jedoch 12,5 Stunden. Erfolgt in den Einsatzpausen keine ausreichende Aufladung und damit Ergänzung der Kapazität, so verschärfen sich die Energieprobleme, da mit zunehmender Beanspruchung der Energiepuffer immer weiter entleert wird. Fahrzeugausfälle am Ende einer langen Dienstschicht oder Einsatzfahrt sind somit vorprogrammiert. Als Gesamtergebnis wurden im NEF Düsseldorf für die elektrische Sonderausstattung eine Batteriekapazität von insgesamt 220 Ah benötigt und realisiert, die kurzen Verweildauern am Standort erfordern zudem Ladetechnik mit Ladeströmen von bis zu 50 A.

Tab. 4.3.1.6.4/1:Ausschnitt Excel Tabelle NEF Düsseldorf (Tabelle: Lang)



4.3.1.6.5Batterieladegeräte

Es existiert eine ganze Reihe von Ladegeräten mit unterschiedlichen Techniken. Die richtige Wahl ist abhängig von der benötigten Größe (Dimensionierung laut erstellter Energiebilanz), dem zur Verfügung stehenden Versorgungsnetz und dem verwendeten Batterietyp. Es empfiehlt sich die generelle Verwendung von 230 V Geräten, da die auch an der Einsatzstelle von geeigneten Stromaggregaten betrieben werden können. Bei der Anwendung und der Auswahl von Ladegeräten ist unbedingt darauf zu achten, dass die vorgesehenen Batterietypen überhaupt geeignet geladen werden können. Vor allem Gelbatterien erfordern im Vergleich zu konventionellen Naßbatterien höhere Ladespannungen und definierte Ladekennlinien. Lädt man also eine Naßbatterie mit einem Gerät für Gelbatterien - oder umgekehrt - ohne Anpassung der Ladekennlinien, so wird unweigerlich die Batterie durch die zu hohe oder zu niedrige Ladespannung dauerhaft geschädigt. Besonders sei hier auf den oftmals praktizierten nachträglichen Austausch von Batterien hingewiesen. Ersetzt man Naßbatterien durch Gel-Batterien oder umgekehrt muss in jedem Fall die Ladetechnik angepaßt bzw. überprüft werden!

Man unterscheidet grob drei Arten von Ladegeräten bzw. Techniken:

- ungeregelte Ladegeräte
Das ungeregelte 230V Ladegerät ist das einfachste Ladegerät auf dem Markt und findet in vielen Anwendungen, Laden von Spielzeugakkus, etc. Verwendung. Es ist aufgrund der fehlenden Regelung zwar preisgünstig, doch für den Anwendungsfall Sonderfahrzeugbau völlig ungeeignet. Die zur Verfügung stehende Ladespannung ändert sich durch die fehlende Regelung mit Schwankungen der Versorgungsspannung (230 V) und dem Ladezustand der angeschlossenen Batterie. Dies führt häufig dazu, dass zum einen die zur Verfügung Ladespannung für eine Volladung nicht ausreicht, zum andern so hoch sein kann, dass ein Überladen und eine Schädigung der Batterie nicht ausgeschlossen werden kann. Dieses Ladegeräte sind für den Einbau in Fahrzeugen und das Dauerladen über externe Steckdosen absolut nicht geeignet!

- geregelte Ladegeräte
Im Gegensatz zu den ungeregelten Ladegeräten sind die geregelten Ladegeräte für den Dauereinsatz geeignet. Die Regelung verhindert sinnvoll ein Überladen der Batterie und unterscheidet sich in der Ausführung von Hersteller zu Hersteller. Zum Verhindern der Überladung besitzen sie eine einfache Begrenzung der Ladespannung. Zum universellen Einsatz auf alle Batteriearten ist diese Ladespannung aber eher zu niedrig ausgelegt, so dass die Batterien je nach Typ nicht unbedingt vollständig geladen werden. Sinkt die Netzspannung (bspw. Speisung durch Stromerzeuger) unter einen bestimmten Wert, so findet keine Ladung statt. Häufig werden sie mit einer geringen Ladeleistung ausgestattet und sind nicht zur Ladung von großen Batteriekapazitäten und/oder mit gleichzeitigem Betrieb von Verbrauchern, wie Kühlboxen geeignet. Je nach Güte und Qualität zeichnen Sie sich durch eine mehr oder weniger hohe Restwelligkeit des Ladestromes aus, der die sinnvolle Ladung einiger Batterietypen, wie Gel-Batterien, verbietet kann.

- getaktete Ladegeräte
Ladegeräte mit Schaltnetzteiltechnik funktionieren zuverlässig auch bei Änderungen der Eingangsspannung sowohl im Frequenz, Amplituden und Phasenverlauf. Sie bieten heutzutage exakt definierbare Ladekennlinien für nahezu alle Batteriearten. Eine Überladung der angeschlossenen Batterien, auch im Dauerbetrieb und unter hohen Ladeströmen, wird vermieden. Durch die kompakten Bauformen (geringes Gewicht und Volumen) und geringe Wärmeentwicklung sind sie besonders für den Fahrzeuginneneinbau und die Lieferung hoher Ladeströme geeignet. Fast alle getakteten Ladegeräte verfügen über die Möglichkeit eines Temperatursensors.


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mit privaten und kommunikativen Grüßen


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