Technik: Lichtmaschine und Lithium-Akkus – So wird der Motor zum Kraftwerk

​Es ist ein kühler Frühjahrsmorgen in den Stockholmer Schären. Die Linjett 36 bietet Komfort wie zu Hause: Kühlschränke, Tiefkühler, Heizung, 230 Volt und dazu jede Menge Navigationselektronik. In den letzten 24 Stunden haben wir bewusst viel Energie verbraucht. Der Batteriemonitor zeigt einen Ladezustand von etwa 70 Prozent. Satte 120 Amperestunden haben die Verbraucher aus dem Lithium-Akku gezogen. Zehn Minuten später, nach einer kurzen Motoretappe durch die Schären, zeigt das Display bereits knapp 40 nachgeladene Amperestunden. Ungefähr so viel, wie die Linjett ohne unsere verschwenderische Wir-machen-mal-alles-an-Einstellung in 24 Stunden konsumiert.

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Was da unten im Motorraum arbeitet, ist keine gewöhnliche Lichtmaschine. Es ist ein wassergekühltes Hochleistungssystem des schwedischen Entwicklers Dan Kimblad und es zeigt, was möglich ist, wenn man das Thema Laden über die Lichtmaschine konsequent optimiert. Die Lichtmaschine schaufelt konstant 250 Ampere in den Akku und ist dabei kaum mehr als handwarm, der ebenfalls wassergekühlte Gleichrichter sitzt separat, das Kühlwasser wird vom Motor abgezweigt und läuft durch einen eigenen kleinen Wärmetauscher. Das System ist das eine Ende einer langen Skala. Das andere Ende kennen die meisten Eigner gut: eine Serienlichtmaschine aus dem Automobilbau, ein neues Lithium-Paket und die stille Hoffnung, dass das schon irgendwie zusammenpasst. Meistens tut es das nur eben nicht.

Warum große Lithium-Bänke neue Probleme schaffen

​Große LiFePO4-Bänke machen an Bord vieles möglich, was früher dem Hafennetz vorbehalten war. Induktionskochen, Wasch- oder Spülmaschine. Der Komfort steigt, aber mit ihm auch der Energiebedarf. Eine gut ausgestattete Yacht mit 400 bis 500 Amperestunden Lithium-Kapazität verbraucht auf Reisen locker 100 bis 150 Amperestunden pro Tag. Doch die Energie muss auch wieder in den Akku kommen, am besten unabhängig vom Landstrom. Der Wunsch vieler Eigner ist naheliegend: Diese sowieso nötigen Motorzeiten so effizient wie möglich zum Laden zu nutzen. Genau hier liegt die Krux. Denn die Lichtmaschine, die diese Arbeit erledigen soll, ist für genau diese Aufgabe nicht gebaut.

„Serien-Lichtmaschinen an Bootsmotoren stammen fast ausnahmslos aus dem Automobilbereich“, erklärt Michael Kögel von Philippi, einem der erfahrensten deutschen Hersteller von Bordelektrik-Komponenten. Im Auto erfüllt die Lichtmaschine eine recht simple Aufgabe: Nach dem Motorstart liefert sie die rund fünf Amperestunden nach, die der Starter dem Akku entnommen hat. Danach versorgt sie das Bordnetz mit überschaubaren Verbrauchern. Alles kostenoptimiert.

Die Ampere-Zahl auf dem Typenschild ist eine Spitzenleistung bei kalter Lichtmaschine, keine Dauerleistung. Kögels Vergleich trifft es präzise: Das ist wie beim Motor, bei dem der rote Bereich bei 6.000 Umdrehungen liegt – in der Praxis fährt man bei 3.000 bis 4.000. Das Hauptproblem ist die Abwärme. Serienlichtmaschinen erreichen nur selten mehr als 60 Prozent Wirkungsgrad. Das bedeutet: Von jeder mechanischen Kilowattstunde, die der Riemen zur Lichtmaschine überträgt, werden mindestens 40 Prozent in Wärme umgewandelt, bevor auch nur ein Ampere die Batterie erreicht. Schon bei Bleiakkus war das ein Problem und das, obwohl deren hoher Innenwiderstand den Ladestrom automatisch begrenzte und die Lichtmaschine vor sich selbst schützte.

Warum Lithium die Lichtmaschine unter Dauerlast setzt

​Wer auf Lithium-Akkus umrüstet, verändert die Bedingungen für die Lichtmaschine fundamental. LiFePO4-Akkus haben einen extrem geringen Innenwiderstand, egal ob die Bank zu zehn, fünfzig oder achtzig Prozent geladen ist. Sie zieht alles, was das System hergibt, im Zweifel stundenlang, bis sie zu fast 95 Prozent voll ist. Die Lichtmaschine läuft vom Motorstart an auf Maximalleistung. Und bleibt dort, solange der Motor läuft. Was das thermisch bedeutet, zeigt eine einfache Rechnung. Eine Lichtmaschine, die 80 Ampere bei 14,4 Volt liefert, erzeugt eine elektrische Ausgangsleistung von rund 1,2 Kilowatt. Bei einem Wirkungsgrad von 60 Prozent muss der Riemen dafür zwei Kilowatt mechanische Leistung liefern.

Die Differenz von 800 Watt wird innerhalb der Lichtmaschine in Wärme umgewandelt und genau hier liegt das Problem. Bei einer Serienlichtmaschine bläst ein einziger Lüfter Luft über Statorwicklungen, Rotor und den Gleichrichter-Diodenblock an der Rückseite, der thermisch verwundbarsten Stelle. Unter Lithium-Dauerlast steigt die Gehäusetemperatur schnell auf über 100 Grad Celsius. Im besten Fall fährt der Regler die Leistung der Lichtmaschine rapide herunter.

Von den 80 Ampere, die auf dem Typenschild stehen, kommen nach ein paar Minuten vielleicht noch 40 Ampere an der Batterie an. In zehn Minuten Motorlaufzeit schafft man es, so knapp sechs Amperestunden nachzuladen.

Für Bleiakkus versprach ein externer Hochleistungsregler eine Verbesserung. In Kombination mit Lithium-Akkus löst er das Problem nicht. Der externe Regler sieht die leere Lithium-Bank und schaltet die Lichtmaschine sofort auf Maximalleistung – kurzzeitig 70 bis 80 Ampere. Da die Serienlichtmaschine für diese Dauerlast thermisch nicht ausgelegt ist, steigt ihre Temperatur in kurzer Zeit auf über 130 Grad. Der Regler muss drosseln, oft auf nur noch 25 bis 35 Ampere. Wesentlich weniger, als der Lithium-Akku aufnehmen könnte.

​Der B2B-Charger als einfache und oft richtige Lösung

Um das Temperaturproblem in den Griff zu bekommen, ist es daher besser, den Serienregler mit einem Batterie-zu-Batterie-Lader zu kombinieren. Während der B2B-Lader bei Bleiakkus für die richtige Ladekennlinie sorgt und damit mehr Energie in den Akku fördert, wirkt er für Lithium-Akkus als elektronischer Türsteher: Egal wie leer und gierig der Akku ist, er bekommt den eingestellten Strom und nicht mehr. Die Lichtmaschine läuft dauerhaft bei 50 bis 60 Prozent ihrer Nennleistung und überhitzt nicht. Auf Kurzstrecken unter 15 Minuten kann der externe Regler punkten. Bei längerem Betrieb kehrt sich der Vorteil um.

Ein externer Hochleistungsregler benötigt eine für Dauerbetrieb ausgelegte Lichtmaschine. Solche Hochleistungslichtmaschinen von Balmar, Electromaax, Arco Marine oder Mastervolt besitzen dickere Kupferleiter mit höherem Füllfaktor, wärmebeständigere Isolationsmaterialien, robustere Lager und oft zwei Kühlgebläse, die den Luftdurchsatz deutlich erhöhen. Zudem ist der Gleichrichter größer dimensioniert und sitzt thermisch günstiger. Viele Hochleistungssysteme lagern ihn konsequent aus: als extern montierten Remote Rectifier, der an einem besser belüfteten Ort im Motorraum sitzt und separat gekühlt werden kann. Das schwedische System von Kimpower geht am weitesten – Lichtmaschine und externer Gleichrichter teilen einen eigenen Wasserkühlkreislauf. Das Ergebnis: 44 Grad Oberflächentemperatur im Dauerbetrieb statt über 100 Grad bei luftgekühlten Systemen.

​Der Riemen ist oft der nächste Flaschenhals

Bei sehr hoher Leistung wird der Riemenantrieb schnell zum mechanischen Flaschenhals. Bis etwa 100 Ampere Lichtmaschinenleistung ist ein normaler Keilriemen geeignet. Leistungsstärkere Lichtmaschinen benötigen nicht nur einen ausreichend starken Diesel, sondern auch Keilrippenriemen und neue Riemenscheiben. Für Yanmar, Volvo und einige andere Hersteller gibt es von Balmar oder Electromaax konfektionierte Umrüstsätze, für die man rund 600 bis 900 Euro einplanen muss. Eine wichtige Falle: Wenn die Kühlwasserumwälzpumpe im gleichen Riemenpfad läuft, kann die hohe Riemenspannung ihre Lager schädigen – ein separates Riemensystem für die Hochleistungslichtmaschine ist dann die sauberste Lösung. Neuere Motoren kommen meist serienmäßig mit Keilrippenriemen, dort ist der Umbau leichter.

Todesfalle BMS

Load Dump nennt sich das Phänomen, das eintritt, wenn das BMS eines Lithium-Akkus die Reißleine zieht und den Akku schlagartig abschaltet, während gleichzeitig hoher Ladestrom fließt, sei es aus Überspannung, Übertemperatur oder wegen Zellenfehlern. Das Problem ist die im Magnetfeld der Lichtmaschine gespeicherte Energie. Diese kann nicht mehr in den Akku abfließen und muss irgendwohin. Die Spannung im Bordnetz steigt schlagartig auf bis zu 100 Volt. Die ersten Bauteile, die das trifft, sind fast immer die Gleichrichterdioden der Lichtmaschine, sie werden durch diese Spannungsspitze zerstört.

​Die sauberste Lösung ist ein Lithium-System mit extern kommunizierendem BMS: Es gibt dem Lichtmaschinenregler rechtzeitig Bescheid, bevor es abschaltet. Systeme von Victron mit externem BMS oder Mastervolt bieten diese Schnittstelle. Wer auf Drop-in-Lithium-Akkus ohne externe BMS-Kommunikation setzt, muss externe Load-Dump-Schutzbausteine einplanen, wie es sie beispielsweise von Balmar oder Sterling Power gibt. Ein Load Dump kann auch ohne Lithium-Akkus durch lose Kabel oder das Abschalten der Motorelektrik im Betrieb herbeigeführt werden.

Der Markt reicht von günstig bis High-End

Für den Umbau auf Hochleistungslichtmaschinen bietet der Markt Lösungen in Leistungsklassen von 100 bis 250 Ampere und Preisen zwischen 2.500 und rund 8.000 Euro. Balmar ist seit Jahrzehnten etabliert und liefert für die meisten Motoren abgestimmte Kombinationen aus Hochleistungslichtmaschine und externem Regler. Gleiches gilt für Electromaax, Mastervolt und Arco Marine. Deren Zeus- und Omega-Regler gehören zu den leistungsfähigsten Modellen und lassen sich auch mit anderen Lichtmaschinen kombinieren.

Das – wenn auch teure – Nonplusultra dürfte derzeit die Kleinserien-Lösung von Kimpower darstellen. Dank unübertroffener Wärmeabfuhr kann sie die höchste Dauerleistung liefern.

Lösungen im Überblick

​Der B2B-Lader: wenig Leistung, aber sicher

Der Batterie-zu-Batterie-Lader ist die einfachste und für viele Eigner richtige Antwort auf das Lithium-Ladeproblem an der Serienlichtmaschine. Er erhöht die Ladeleistung nicht, schützt aber die Lichtmaschine. Auf der Eingangsseite stellt er der Lichtmaschine eine konstante, geregelte Last – egal wie leer und gierig die Lithium-Bank ist. Auf der Ausgangsseite liefert er eine für LiFePO4 optimierte Ladekennlinie. Damit die Lichtmaschine nicht überlastet wird, sollte der Eingangsstrom nicht viel mehr als etwa die Hälfte des Nennstroms der Lichtmaschine betragen. Diverse Hersteller, Kosten: 40 A, ab 330 Euro.

​​Zusatz-Lichtmaschine: getrennt und leistungsfähig

​Statt die Serienlichtmaschine zu ersetzen, wird eine zweite – typischerweise eine Hochleistungsmaschine – an den Motor angebaut. Der Vorteil liegt in der konsequenten Systemtrennung: Die Motorelektrik bleibt unangetastet. Die Verbraucherbank wird über die Zusatzlichtmaschine mit deren eigenen Hochleistungsregler direkt geladen. Es ist kein B2B-Lader nötig. Bei Drop-in-Lithium- Akkus ohne kommunizierendes BMS sollte ein externer Load-Dump-Schutzbaustein eingeplant werden. Nachteil ist der zusätzliche Platzbedarf und die nötige Halterung, die eventuell angefertigt werden muss. Kosten: 170 A, ab 2.500 Euro.

​Maximale Leistung: die wassergekühlte Lichtmaschine

​Wer mehr Ladeleistung will als die Serienlichtmaschine mit B2B liefern kann, tauscht sie gegen eine Hochleistungsmaschine. Diese ist für Dauerlast ausgelegt. Für gängige Yanmar- und Volvo-Motoren gibt es abgestimmte Umrüstsätze von Arco, Balmar, Electromaax und anderen Herstellern. Im Idealfall lädt diese Lichtmaschine den Verbraucherakku direkt: Der Starterakku kann über einen B2B-Lader versorgt werden. Am oberen Ende steht das wassergekühlte System von Kimpower: Das vom Schweden Dan Kimblad entwickelte System arbeitet mit einer speziellen Lichtmaschine und einem externen, ebenfalls wassergekühlten Gleichrichter. Das Ergebnis: 220 bis 250 Ampere Dauerladestrom bei einer Temperatur von rund 44 Grad. Kimpower ist als Option bei Linjett-Yachten erhältlich (Aufpreis 7.900 Euro), Nachrüstsätze für Motoren von Yanmar und Volvo auf Anfrage. Mehr Informationen: kimpower.se

​Buchtipps

Theorie und Praxis der Bordelektrik von Jens Feddern behandelt das Bordnetz in seiner ganzen Breite. Im Mittelpunkt stehen Stromerzeugung, Batterien, Ladeverfahren und die Verteilung elektrischer Energie an Bord. Gerade für Leserinnen und Leser, die verstehen wollen, wie Akku, Lichtmaschine und Ladetechnik als System zusammenhängen, liefert der Band die sachliche Grundlage.

Perfekte Bootselektrik von Andy Johnson setzt den Schwerpunkt stärker auf die praktische Bordinstallation und den sauberen Aufbau elektrischer Systeme. Die gesamte Architektur der Energieversorgung wird dabei mitgedacht. Wer vom einzelnen Problem an der Lichtmaschine zum größeren Bild der Bootselektrik kommen will, findet hier den breiteren Praxisrahmen.

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