Frage von RubberDuck1972, 53

Ladestrom durch Widerstand begrenzen?

Hallo Leute, ich bin mal wieder am basteln. Derzeit habe ich folgende Situation:

Ich habe ein Netzteil 19,8 Volt (von 18 bis 24 Volt einstellbar) max. 20 Ampere, einen Solarladeregler (bis 30 Ampere), zwei zyklenfeste "Antriebs-" Bleiakkus je 100 Ah, 12 Volt.

Das Problem ist, dass sich das Netzteil selbst schützt/abschaltet, weil die Batterien (wenn sie leer sind) viel mehr als 20 Ampere Ladestrom ziehen.

Jetzt habe ich mir überlegt, drei 1 Ohm (100 Watt) Widerstände parallel zwischen Netzteil und Laderegler zu schalten, um den Ladestrom zu begrenzen. Würde das so funktionieren oder rechne ich falsch?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von Opti66, 7

Ladestrombegrenzung

Gehen wir mal von folgenden Werten aus:
Restspannung der leeren Akkus : 10 V
Quellspannung des Netzteiles : 22 V
Innenwiderstand des Akkus : 0 Ohm
Innenwiderstand des Netzteiles : 0 Ohm

Die beiden letztgenannten Werte stellen für den hier betrachteten Fall der Strombegrenzung beim Laden die ungünstigsten Werte dar. Größere Werte würden den Ladestrom zusätzlich reduzieren.

Nehmen wir ferner an, die beiden Bleiakkus sind beim Laden nicht in Serie geschaltet und Du willst sie direkt ohne Nutzung des Solarladereglers, einzeln oder parallel direkt über das Netzteil laden. Unabdingbare Voraussetzung ist natürlich, dass Dein Netzteil einen Gleichrichter enthält (!!!) und DC abliefert. Wenn das nur ein normales Netzteil (Trafo) mit AC Ausgang ist wirst Du ein großes Problem bekommen und möglicherweise Einiges himmeln.

Unter den genannten Voraussetzungen ist eine Spannungsdifferenz von 12 V zu "vernichten". Soll der Ladestrom auf ca. 10% der "Batteriekapazität", d.h bei 100 Ah auf maximal 10 A für einen Akku begrenzt werden, ergibt sich ein Vorwiderstand von 1,2 Ohm (und nicht von 0,33 Ohm), (R=U/I).
Wenn während des Ladens die Akkuspannung auf 14,5 V ansteigt, wird der Ladestrom natürlich geringer.
Sollen beide Akkus parallel geladen werden müßte jeder Akku einen Vorwiderstand von 1,2 Ohm verpasst bekommen. Bei je 1,2 Ohm wäre dann Dein Netzteil anfangs mit ca. 20 A voll ausgelastet, mit steigender Akkuspannung aber immer weniger, da der Laderstrom zurück geht.
Als hitzefeste Widerstände zur Strombegrenzung kannst Du auch Abblend /Fernlicht Glühfaden-Birnen vom PKW nehmen. Die haben meist 60 W und ziehen dann bekanntlich bei 12 V Spannung 5 A Strom. Glühfadenbirnen haben außerdem den Vorteil, dass deren Widerstand temperaturabhängig ist und bei niedrigerer Spannung und damit niedrigerem Strom deutlich abnimmt. Das führt dann annähernd zu einer Konstantstromquelle, der Ladestrom nimmt dann mit steigender Akkuspannung weniger ab. Problematik dieses Verfahrens: Man hat keine automatische Ladeendabschaltung. Ein Überladen der Akkus ist sehr schädlich. Für einen Dauerbetrieb wäre eine zusätzliche automatische Ladestromabschaltung bei Erreichen einer vorgegebenen Akkuspannung unerläßlich.

Möglicherweise kann der vorhandene Solarladeregler bei der Akkuladung mit einbezogen werden. Der Solarladeregler verhindert normalerweise eine Überladung der Akkus. Dazu sollte man wissen, ob das ein Dual-Solarladeregler ist, der beide Akkus gleichzeitig auflädt und ob die Akkus dabei parallel oder in Serie geschaltet sind (vermutlich parallel). In jedem Fall sollte der Vorwiderstand zur Strombegrenzung zwischen Netzteil - mit DC (direct current) Ausgang !!!! - und dem Solarladegerät eingebaut werden, z.B. 4 parallel geschaltete Kfz-Fernlichtbirnen, die quasi den Innenwiderstand der Stromquelle (Netzteil + Vorwiderstand) erhöhen und für eine (auch sichtbare) Strombegrenzung sorgen. Wird wegen erhöhter Akku-Ladespannung weniger Strom aufgenommen, wird der Widerstand des Glühfadens - d.h. der Vorwiderstand - deutlich kleiner, was die Effektivität der gesamten Ladeschaltung steigert.

Auf keinen Fall sollten die Vorwiderstände in Serie zum Akku und zum Ausgang des Ladestromreglers geschaltet werden. Der Ladestromregler muß u.a. auch die Spannung am Akku messen. Durch einen Vorwiderstand wird die Spannung an der Last (des Ladestromreglers) gegenüber der tatsächlichen Akkuspannung verfälscht. Wie ein Ladegerät darauf reagiert kann man ohne Wissen der Schaltungsdetails nicht vorhersagen. In jedem Fall erhöht ein mit dem Akku in Reihe geschalteter Vorwiderstand die vom Ladegerät messbare "scheinbare Akkuspannung" um den Spannungsabfall am Vorwiderstand (U=I x R). Wird der Ladestrom zurück geregelt fällt die meßbare Akkuspannung, bei Aufregeln des Ladestroms steigt sie wieder unverhältnismäßig an. Im schlimmsten Fall kann das zu unerwünschten Schwingungen der Ladestromregelung und zu Fehlern führen.

Auch ist zu klären - oder auszuprobieren - welche Eingangsspannungs-Welligkeit der Ladestromregler verträgt. Solarzellen liefern immer eine(n) Gleichspannung / Strom ohne jegliche Welligkeit. Bei einer in Deinem Netzteil eingebauten bloßen Vierweg-Gleichrichtung der Wechselspannung ergibt sich eine erhebliche Welligkeit der Ausgangsspannung. Eventuell muß man da noch einen dicken Siebkondensator dazuschalten, um die Welligkeit unter Last zu reduzieren.
Wenn sich hier erhebliche Schwierigkeiten ergeben kann der Einsatz einer handelsüblichen Kfz-Akku-Ladestation die einfachste Alternative für eine Ladung mit Überladeschutz sein.

Kommentar von RubberDuck1972 ,

Toll, dass es Leute wie Dich gibt, mit denen man sich über solche Dinge unterhalten kann. Und danke für die ausführliche Antwort.

Meine Angaben zur Frage waren vielleicht nicht ausführlich genug:

Das Netzteil ist ein Schaltnetzteil, natürlich mit Gleichstromausgang. Die Restwelligkeit kann ich mit meinem billig-Multimeter nicht herausfinden.

Die beiden 12V/100Ah Akkus sind parallel geschaltet, also quasi 12V/200Ah. Sie sind nicht wartungsfrei (flüssiges Elektrolyt und man kann Wasser nachfüllen), aber sie sind ausdrücklich für den zyklischen Betrieb (Antrieb, Beleuchtung, Notstrom) angepriesen.

Das Netzteil ist natürlich nicht direkt mit den Akkus verbunden, sondern über den Solarladeregler. Letzterer zeigt auch brav alles nötige an: Ladespannung, Ladestrom, Batteriespannung, Ladeprogramm usw.

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Das mit den Scheinwerferlampen hatte ich auch angedacht. Aber mal davon abgesehen, dass diese meistens teurer sind, als entsprechende Widerstände: Es gibt mir da zu viele Unwägbarkeiten:

Mein Netzteil ist jetzt auf 19,8 Volt eingestellt und ich will es nicht höher einstellen, weil ich meine Akkus nicht mit zu hoher Spannung laden will. Also welche Lampen soll ich nehmen?

12V KFZ-Lampen kann ich schon mal nicht verwenden, weil die mit Sicherheit spätestens bei 15 oder 16 Volt durchbrennen würden. (Ja, vier in Reihe, vier parallel; aber die Kosten...)

Blieben noch 24V Lampen. 20 Volt und weniger tut denen natürlich nichts. Die gibt´s mit 70 Watt Leistungsaufnahme, dann fängt wieder die Rechnerei an. Was mich außerdem davon abhält Halogenlampen zu verwenden ist ein Experiment in meiner frühen Jugend: Da habe ich ein Fahrradbirnchen quasi als Vorwiderstand für einen kleinen Elektromotor verwendet. - Trotz nominaler Spannung (knapp 6 Volt DC) ist zuerst der Glaskoben weggeploppt und danach (natürlich) sofort der Glühwendel durchgebrannt. Okay, Blei-Akkus sind keine induktive Last, im Gegensatz zu einem Elektromotor, aber wie´s im Laderegler aussieht weiß ich nun auch nicht.

Außerdem wo soll ich mit der Abwärme und dem "Ablicht" der Halogenlampen hin? - Im Winter wäre das zusätzliche Heizleistung oder ich könnte den Flur taghell beleuchten, aber es braucht Halterungen, damit die Bude nicht abfackelt (weitere Kosten). Außerdem könnte ich die Lampen in einen Solarzellenkasten einbauen und die Energie in den Ladestrom einspeisen oder mit der Energie einen Lüfter betreiben, der die Abwärme im Raum verteilt.

Das führt für meine Tüftelei dann doch ein wenig zu weit. :)

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Ich hab mir nun drei Widerstände (4 Ohm, 100 Watt) bestellt, die ich parallel zwischen Netzteil und Laderegler schalte. Dabei komme ich auf 1,3333 Ohm und es passt rein rechnerisch gerade so, dass mir die Widerstände nicht abrauchen.

Wenn das auch nicht funktionieren sollte, werde ich doch ein leistungsstarkes Ladegerät kaufen. Und die nicht mehr benötigten Komponenten (Widerstände, Netzteil...) durchmessen, auf Funktion prüfen und bei eBay verkaufen.

Bisher war mein selbst gebasteltes einfach billiger als alles was man fertig kaufen kann. Vielleicht habe ich es mir auch zu einfach vorgestellt. Aber mal schauen, wenn die Widerstände da sind; vielleicht funktionierts.

Kommentar von Opti66 ,

Unabhängig davon, ob der Vorwiderstand durch den Glühfaden einer Birne oder durch einen Festwiderstand realisiert wird gilt: Die Verlustleistung ist bei gleichem Strom und Widerstand ist immer die gleiche. Für mich waren die Pkw Fern-/Ablendlichtbirnen immer die preiswerteren Vorwiderstände, da ich stets ausrangierte genommen habe, bei denen der Abblendlicht Glühfaden defekt und der Fernlichtglühfaden noch o.k. waren. Die Einstellung des Netzteiles auf die geringstmögliche Spannung von 19,8 Volt ist natürlich sinnvoll, das reduziert die Verlustleistung. Übrigens, mit leistungsstarken Zehnerdioden, z. B. 5,6 V Zehnerspannnung, wäre das System noch einfacher zu realisieren. Da könnte man direkt mit dem Netzteil aufladen, da die Batterieladespannung dann automatisch auf 19,8 V - 5,6 V = 14,2 V begrenzt werden würde. Das ist fast ein bißchen wenig, aber Du kannst dann ja die Ladespannung leicht erhöhen. Noch eines ist zu korrigieren. Wenn die Batterien (nur) noch 10 V Leerlaufspannung haben (so tief sollten die nie entladen werden) und Dein Netzteil auf 19,8 V eingestellt ist, dann kann über dem Vorwiderstand nur noch die Differenz, also 9,8 V abfallen und absolut sicher auch keine 12 Volt Birne durchbrennen! Die nominelle Betriebsspannung einer vorgeschalteten 12 Volt Birne wäre erst  bei einer Batteriespannug von 7,8 Volt erreicht! Wie schon gesagt  ein Glühfaden einer Lampe als Vorwiderstand hat den Vorteil, dass bei zunehmender Batteriespannung und entsprechend abnehmender Spannung über dem Vorwiderstand der Ladestrom weniger stark reduziert wird als bei Vorschaltung eines (konstanten) Festwiderstandes. Außerdem  ist die thermische Standfestigkeit der Glühbirne immer sicher erfüllt ist.

Antwort
von DG2ACD, 28

Eigentlich reicht auch ein Widerstand von 1 Ohm. Denn bei der höchsten Spannung von 24 Volt kann ein Strom von 2Ampere fließen. Sofern das Ladegreät dies hergibt.

Da dies aber ohnehin schon auf 20 Ampere begrenzen müsste, wie Du es beschreibst, ist Dir mit einem Widerstand aber nicht groß gedient.

Sinnvoll ist das lediglich dann, wenn das Ladegerät eigentlich ein Netzgerät ist und so viel Strom liefert, bis die Spannung einbrincht.

Nimmst Du DREI widerstände, wird der Strom bei 24 Volt auf max. 72 Ampere begrenzt, also auch deutlich über dem, was Dein "Ladegerät" liefern kann. Also hast Du dadurch keinen Nutzen.

Die Wahl von 100 Watt ist jedoch erstmal gut, da hast Du einiges in Reserve.

Kommentar von RubberDuck1972 ,

Danke!

Ich glaub, jetzt hab ich meinen Denkfehler erkannt! - Es sollten nicht 3 Stück 1 Ohm Widerstände (1:3=0,33333333 Ohm) sein, sondern drei Stück 4 Ohm parallel, damit komme ich auf 1,333 Ohm; rechnerisch bei 20V auf 15 Ampere und 300 Watt.

Ein 1 Ohm 100 Watt Widerstand würde bei 20 Volt durchbrennen, weil dann 400 Watt durch fließen.

Expertenantwort
von Peppie85, Community-Experte für Elektrik & Elektrotechnik, 16

du bist etwas auf dem falschen dampfer... wenn du den widerstand parallel zur batterie schaltest, erhöhst du den ladestrom ja noch mehr...

es sei denn natürlich, du hast dich hier vertan und meinst in reihe, dann müsste man es einfach mal ausprobiren....

ich denke aber dass 3 ohm deutlich zu wenig sind. versuchs ruhig mal eher mit 30 Ohm....

du musst eines bedenken, wenn sich deine zellenspannung der ladespannung annähert, dann sinkt ja auch der ladestom gewaltig. dem entsprechend wird auch der spannungsverlust am widerstand sinken...

vlel spass beim basteln.

lg, Anna

Kommentar von RubberDuck1972 ,

Nein, natürlich nicht parallel zur Batterie. - Nur Widerstände Parallel zueinander und letztlich in Reihe zur Batterie, um den gewünschten Widerstand zwischen Netzteil und Batterie zu erhalten (wenn wir mal der Einfachheit halber den Laderegler außen vor lassen).

1 Ohm:3Widerstände ergäbe ja 0,33333 Ohm. Das war mein Rechenfehler.

Ich meine 3 Widerstände mit jeweils 4 Ohm parallel sollte 1,33333 Ohm ergeben. Dann komme ich bei 20 Volt auf 15 Ampere. Das würde dann passen.

Kommentar von Peppie85 ,

könnte klappen, probiers aus...

du solltest allerdings darauf achten, dass der ladestrom nicht zu hoch wird, um das gasen der batterie zu vermeiden...

lg, Anna

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