Anleitung zur Kapazitätsmessung einer Yachtbatterie

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Jonathan besegelte zusammen mit seiner Frau Claudia von 2013 bis 2019 die Welt. Sie ließen 25.000 Seemeilen im Kielwasser und befuhren ganze drei Jahre lang ihr Traumrevier: den Pazifik. Neben der klassischen Barfußroute besuchten sie vor allem auch abgelegenere Ziele wie die Osterinsel, die Tuamotus, Kiribati, Tuvalu und die Marshallinseln. Vor seiner Reise betrieb Jonathan ein Tonstudio in Berlin. Seit einigen Jahren arbeitet er als Journalist, Referent und Autor zu verschiedenen Themen rund ums Segeln und Reisen. Seit 2020 gehört Jonathan zur BLAUWASSER.DE-Stammredaktion.

Dr. Robert Möckel ist Ingenieur der Fachrichtung Schiffsmaschinenbau und im “zweiten Leben” Psychologe (M.Sc.). Nach einer Tätigkeit in einem Motoreninstandsetzungebetrieb hat er in diversen Lehrtätigkeiten Erfahrung in der Wissensvermittlung gesammelt und bietet Seminare zu technischen Themen auf Yachten an. Zusammen mit seiner Frau segelt er eine Dehler 35 SV, die in Flensburg beheimatet ist.

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.

Bei älteren Batterien kann es Sinn ergeben, die Kapazität zu bestimmen. ©Sönke Roever

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.

Wassertankvergleich: eine vollgeladene Batterie. ©BLAUWASSER.DE

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.

Wassertankvergleich: Die roten Klötze simulieren die Ablagerungen. ©BLAUWASSER.DE

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!

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.

Dieser Hersteller gibt als Spannungswert für die vollständige Entladung 10,8 Volt an. ©VictronEnergy

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.

Diese Autoglühbirne hat eine Leistung von 60 Watt. Bei 12 Volt fließt daher ein Strom von 5 Ampere. ©radiopelicano.de

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.

Wenn diese Batterie über zwanzig Stunden entladen wird (@20h Rate), stehen 90 Ah zur Verfügung. Wird sie doppelt so schnell entladen (@10h Rate), sind es nur noch 80 Ah. ©radiopelicano.de

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.

Für diesen einfachen Test werden nur eine Glühbirne, ein Kabel und ein Zeitmesser benötigt. ©radiopelicano.de

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).

Diese Batterie ist kurz vor der Entladeschlussspannung. ©Sönke Roever

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.

Batteriemonitore zeigen an, wie viele Ah seit dem letzten Reset entnommen wurden. ©radiopelicano.de

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.

Dieser Amperestundenzähler ist für Ströme bis 300 A geeignet. ©radiopelicano.de

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.

Beispiel für einen professionellen Tiefentladeschutz. ©radiopelicano.de

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.

Beispiel für einen einfachen Tiefentladeschutz. Der Abschaltwert kann am Poti rechts im Bild eingestellt werden. ©radiopelicano.de

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.

Test mit dem selbstgebauten Kapazitätsmessgerät. ©radiopelicano.de

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.

Ist eine Batteriebank altersschwach, muss sie getauscht werden. Erkenntnisse liefert das vorgestellte Testverfahren. ©Sönke Roever

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.

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Dirk Wahrheit
Dirk Wahrheit
10 Monaten her

Was spricht gegen die im Handel erhältlichen CCA Tester?

Robert
Robert
10 Monaten her
Reply to  Dirk Wahrheit

Der Kälteprüfstrom (CCA = Cold Cranking Amps) ist leider nicht das, was bei einer Bordnetzbatterie von Interesse ist. Typisch für ältere Batterien ist, das sie einen erheblichen Teil der Kapazität verloren haben (und um die Kapazität geht es ja bei der Bordnetzbatterie), während sie noch in der Lage sind, als Starterbatterie ihren Job zu zu tun. Die CCA-Messung ist eher geeignet, um alte von austauschreifen Starterbatterien zu unterscheiden.

Sascha
Sascha
10 Monaten her

Es wird doch oft empfohlen, Bleiakkus max. zu Hälfte zu entladen, also in dem Beispiel nicht viel mehr als 50 Ah zu entnehmen, da sie sie sonst sehr viel schneller altern würde. Hier klingt es hingegen so, als ob es völlig in Ordnung wäre, die 100 Ah auch auszureizen.

Robert
Robert
9 Monaten her
Reply to  Sascha

Es gibt tatsächlich einen Zusammenhang zwischen Entladetiefe und Lebensdauer eines Akkus, und das gilt sowohl für Blei- als auch für Lithium-Batterien. Dabei gilt: Je tiefer ich einen Akku entlade, desto kürzer ist seine Lebensdauer. Die häufig genannte Grenze bei 50 % ist allerdings völlig aus der Luft gegriffen; man könnte sie ebenso bei 20 oder 60 oder 80 % ziehen. Es gibt keinen Grenzwertwert, jenseits dessen die Lebensdauer abrupt abnehmen würde.

Robert
Robert
9 Monaten her
Reply to  Sascha

Ich habe mal Daten eines typischen AGM-Akku herausgesucht. Hier gibt der Hersteller an, dass die Lebensdauer bei einer Entladetiefe von 100 % (vollständige Entladung) 250 Zyklen, bei 50 % (Entladung zur Hälfte) 500 Zyklen und bei 30 % 1.000 Zyklen beträgt. Während die 1.000 Zyklen für einen Blauwassersegler auf Langfahrt eher wenig sind reichen die 500 Zyklen für den Hafenhopper und Wochenendsegler meist so lange, dass der Akku eher an kalendarischer Alterung stirbt als an zu vielen Zyklen. Es macht also in den meisten Fällen wenig Sinn, mit der Entladetiefe zu geizen, weil ein Bleiakku ohnehin nicht älter als 10… Mehr lesen »

Sascha
Sascha
9 Monaten her
Reply to  Robert

sehr spannend, danke für die Erläuterung!

Sascha
Sascha
9 Monaten her
Reply to  Robert

Da fällt mir gerade noch was auf: die zu entnehmende Energiemenge ist in allen Fällen mehr oder weniger identisch, oder? 250 * 100Ah = 500 * 50 Ah = 25.000 Ah. Nur bei der sehr geringen Entladetiefe von 30 % wären es vermeintlich 30.000 Ah. Aber für eine Verbraucherbatterie wohl eher uninteressant.

Und evtl. ist noch ein Aspekt, das die Spannung bei größerer Entladetiefe immer deutlicher nach unten geht, was manche Verbraucher dazu bewegt sich zum Schutz der Batterie selbst abzuschalten.