Nach der telefonischen Kundenanfrage durch Frau Schuster wurde ein Vororttermin vereinbart um die genauen Kundenwünsche am Fahrzeug durchzusprechen.
Der gesamte Kastenwagen dient als mobiles Schulungsfahrzeug des Landkreises München. Mit diesem rein elektrischen Fahrzeug besuchen die Umweltreferenten von 29++ Klimaschutzbildung Kinder, zum Beispiel an Grundschulen um Ihnen die Zusammenhänge von elektrischer Energie nahe zu bringen. Der Fokus liegt hierbei auf der Nachhaltigkeit und Vernetzung der einzelnen Stromsysteme.
Der Kundenwunsch bestand nun darin, eine elektrisch autarke Anlage einzurichten, bei der die einzelnen Komponenten sichtbar sind. Der Grundgedanke der Referentin war es, möglichst einfach und spielerisch die Vermittlung von Stromerzeugung, Stromregelung, Stromspeicherung bis hin zum Stromverbrauch darzustellen. Durch die sichtbaren Bauteile soll dies nun verdeutlicht werden.
Die einzelnen Komponenten sind handelsübliche Bauteile, die besonders im Camping oder im Wohnmobilbereich häufig verbaut werden. Der folgende Text beschreibt nun kurz den elektrischen Zusammenhang von Spannung, Strom und Leistung. Des weiterem folgt eine kurze Beschreibung der einzelnen Hauptkomponenten.
Der Vollständigkeitshalber möchte ich kurz erklären, dass Strom nur dann fließen kann, wenn an einen elektrischen Leiter eine Spannung anliegt. Spannung entsteht, wenn zwischen zwei Pole ein Potenzialunterschied entsteht. Dies kann man zum Beispiel an einer Batterie gut darstellen. Hier hat man zwei Pole, einen Minus- und einen Pluspol. In der Batterie sind am Minuspol viele kleine Elektronen. Auf der Plusseite sind deutlich weniger Elektronen. Dadurch entsteht ein Potenzialunterschied (Spannung). Nun versuchen immer die Elektronen von der Minusseite auf die Plusseite zu fließen. Wenn man nun die beiden Pole mit einem elektrischen Leiter verbindet, können die Elektronen auch wirklich fließen, es entsteht Strom. Um das Ganze sichtbar zu machen, könnte man nun eine Lampe in den Leiter einbauen und beobachten, wie sie brennt.
Die Lampe brennt solange, bis keine Elektronen mehr fließen. Wenn am Plus und am Minuspol die gleiche Anzahl von Elektronen sind, ist kein Potenzialunterschied (Spannung) mehr vorhanden. Das heißt es kann kein Strom mehr fließen.
Nun könnte man die Batterie wieder laden. Dabei werden, vereinfacht ausgedrückt, die Elektronen vom Pluspol wieder zurück zum Minuspol geschoben. Das heißt, am Minuspol sind am Schluss wieder sehr viel Elektronen und am Pluspol sind im Idealfall sehr wenige Elektronen. Die Spannung (Potentialunterschied) ist wieder da.
Im Allgemeinen gibt es zwei elektrische Grundformeln, nach denen sich die einzelnen Größen richtet.
Die erste elektrische Grundformel lautet:
U = Spannung (wird in Volt „V“ angegeben) U = R x I
R = Wiederstand (wird in Ohm „Ω“ angegeben) R = U / I
I = Strom (wird in Amper „A“ angegeben) I = U / R
Die zweite elektrische Grundformel ist:
P = Leistung (wird in Watt „W“ angegeben) P = U x I
U = Spannung (wird in Volt „V“ angegeben) U = P / I
I = Strom (wird in Amper „A“ angegeben) I = P / U
Im allgemeinen PKW Bereich ist in der Regel eine Batterie verbaut. Diese Batterie besteht aus 6 Zellen und hat im vollgeladenen Zustand ca. 12,8V. Um das Ganze zu vereinfachen, redet man immer von einem 12V System.
Im normalen Hausstrombereich, das heißt aus der Steckdose im Haus, kommt eine Spannung von 230V. Hier muss noch folgendes beachtet werden. Im Niederspannungsnetzwerk im Hausbereich liegt eine Wechselspannung an, bei einer Autobatterie dagegen eine Gleichspannung. Das heißt bei einer Gleichspannung möchten die Elektronen die ganze Zeit über nur in eine Richtung. Bei Wechselspannung wird hingegen mit einer bestimmten Frequenz (50Hz) die Polarität ständig umgedreht.
Zur Ergänzung möchte ich noch kurz erwähnen, dass es noch Mittelspannungs- und Hochspannungsnetze gibt. Das Hochspannungsnetzwerk wird zur Übertragung von Strom errichtet. Hier sieht man meistens die hohen Strommasten auf den Feldern. Im Hochspannungsbereich, zum Beispiel auf einen Strommasten, kann die Spannung schon mal bei 110.000 Volt sein.
Wenn sehr viel Strom fließt, wird der elektrische Leiter, zum Beispiel ein Kabel, sehr warm, bzw. sogar heiß. Wenn man nun sehr viel Strom transportieren möchte, sollte man im Idealfall die Spannung erhöhen. Dies geschieht beispielsweise bei Strommasten. Hier liegt eine sehr hohe Spannung an, damit man auch dementsprechend viel Strom drüber schicken kann, ohne dass die Leitung extrem dick ausfallen muss.
Dieses Prinzip kann man vielleicht mit einer Wasserleitung besser veranschaulichen. Man denkt sich einen normalen Gartenschlauch (elektrischer Leiter) bei dem man nun einen Liter Wasser (Strom) durchfließen lassen möchte. Wenn man das Wasser drucklos (Spannung) durchfließen lässt, dauert es mehrere Sekunden bis das Wasser durchgeflossen ist. Wenn man nun die gleiche Menge an Wasser (Strom) mit deutlich mehr Druck (Spannung) durch den Gartenschlauch (elektrischer Leiter) durchpumpt, dauert es nur noch ein paar Sekunden und das Wasser ist durch. Wenn der Wasserschlauch durch einen deutlichen größeren Schlauch ersetzt wird, kann man auch den einen Liter Wasser in einer deutlich schnelleren Zeit durchfließen lassen.
Bei unserem Projekt wurde nun als Ausgangspunkt eine 12V AGM Fahrzeugbatterie verbaut. Die Batterie ist vom Hersteller Varta. Im Batterietypenbereich gibt es die Bleibatterie, die GEL und AGM Batterie und seit jüngerer Zeit auch die Lithium (LiFePO4) Batterie. Bei unserem Projekt wurde die AGM Batterie verwendet, weil sie zum einen nicht ausgast und somit für den Fahrzeuginnenbereich unproblematisch ist und zum anderen ist sie sehr Zyklen fest, was einen stärkeren Stromverbrauch zulässt. Damit die Speicherkapazität und somit der zur Verfügung stehende Strom insgesamt erhöht wird, wurden nun zwei gleiche Batterien parallel angeschlossen. Hier ist es wichtig, dass beide Batterien die gleiche Kapazität und das gleiche Batteriealter haben, damit nicht eine schlechtere Batterie die bessere Batterie mit nach unten zieht und die Gesamtleistung dadurch verringert wird. Eine Batterie hat hier die Kapazität von 95 Ah und die Einbaumaße sind 353x175x190 (LxBxH in mm). Durch die Parallelschaltung konnte nun, vereinfacht ausgedrückt, eine Gesamtkapazität von 190 Ah erreicht werden.
Zudem bestand der Kundewunsch, dass verschiedene Verbraucher wie zum Beispiel Tablets oder Handys über USB Dosen geladen werden können. Zudem sollte vorsorglich noch eine Steckdose in Form eines Zigarettenanzünders angebracht werden. Diese Dosen wurden nun an die 12V Batterien angeschlossen. Damit eine Überlastung der Dosen und der Kabel ausgeschlossen wird, wurde jede Dose einzeln über eine Sicherung abgesichert. Die USB Dosen wurden mit einer 5 Amper und der Zigarettenanzünder mit einer 20 A Sicherung ausgestattet.
Außerdem möchte die Kundin eine 230V Steckdose zur Verfügung haben, damit auch Haushaltsübliche Geräte wie zum Beispiel Nachtischlampen oder Staubsauger mit einem 230V Stecker angeschlossen werden können. Damit dies funktioniert, muss man die 12V Gleichspannung auf 230V Wechselspannung hochtransformieren. Hierfür gibt es vorgefertigte Geräte, sogenannte Wechselrichter. Bei diesem Projekt wurde nun ein Wechselrichter der Firma Carbest mit einer Gesamtleistung von 3000 Watt verwendet. Die Leistungsauslegung des Spannungswandlers ist sehr hoch ausgeführt. Die folgende Berechnung kann dies kurz darstellen.
P / U = I 3000 W / 12V = 250 A
Das heißt, wenn ein 3000 Watt starker Verbraucher angeschlossen ist, würde bei 12V Eingangsspannung 250 A fließen. Dies würde bedeuten, dass eine vollgeladene Batterie mit 95 Ah, nach ca. 5 Minuten leer wäre. Damit der zur Verfügung stehende Strom erhöht wird, wurde eine zweite Batterie eingebaut. Zudem müssen die elektrischen Kabel dementsprechend stark ausgelegt sein, damit eine Überhitzung ausgeschlossen wird.
Des Weiteren bestand der Wunsch eine Batteriemanagementsystem einzubauen. Dieses soll die Aufgabe haben, die Batterien gleichmäßig zu end- und beladen. Zudem unterbricht der Manager bei zu hoher Stromentnahme den Stromfluss. Dadurch kann eine Tiefentladung der Batterien vermieden werden. Ein zu häufiges Tiefentladen lässt die Batterien sehr schnell verschleißen. Der Batteriemanager ist vom Hersteller NDS. Die Firma NDS hat ein sehr ansprechendes Display das bei uns im oberen Kasten neben den Steckdosen verbaut wurde. An diesem Display werden nun die einzelnen Batteriewerte wie die Spannung, Beladungsstand und der fließende Strom angezeigt. Zudem werden die Temperaturwerte der einzelnen Batterien mit überwacht. Aus diesem Zusammenspiel kann der Manager die optimale Nutzung garantieren. Die Hauptstromleitungen müssen auch hier einen Gesamtstrom von ca. 300 Amper Spitze aushalten und auch dementsprechend abgesichert und ausgelegt sein.
Damit die beiden AGM Batterien nun auch regelmäßig geladen werden, wurde nun am Fahrzeugdach eine Solaranlage montiert. Da das Fahrzeugdach ein gewölbtes Blechdach hat, wurde in diesem Fall die Halter des Moduls mit dem Fahrzeugdach verschraubt. Die Bohrlöcher wurden anschließend mit Sikaflex abgedichtet. Normalerweise werden die Modulhalter am Fahrzeugdach nur geklebt und nur in seltenen Fällen verschraubt. Dies hat den Vorteil, dass das Fahrzeugdach unbeschädigt bleibt. Bei der Montage des Solarmoduls ist die Fahrzeug Längsausrichtung wichtig, denn nur dann kann der Spoiler den Fahrtwind richtig ableiten. Das Modul selbst besteht aus 36 monokristallin Zellen. Diese liegen unter einem getemperten Glas und sind auf einen Alurahmen montiert. Zwischen Fahrzeugdach und Modul ist bei den starren Modulen auch ausreichend Luft. Dies hat besonders bei heißen Sommertagen den Vorteil, dass die Module ausreichend gekühlt werden und die Leistungsfähigkeit dadurch nicht verringert wird. Die Leistung des bei uns verwendeten Moduls vom Hersteller Carbest, liegt bei 120 Wp. Das Wp steht für Watt Peak. Am Modul ist ein Ausgangskabel befestigt. In diesem Kabel befindet sich ein Plus- und ein Minuskabel. Am Fahrzeugdach wurde nun eine Dachdurchführung angebracht und durch diese das Kabel in den Fahrzeuginnenraum verlegt. Durch die Hohlräume in den Traversen wurde das Kabel bis zu unserem Einbauschrank verlegt. Wichtig ist dabei, dass durch ordentliche Verlegung keine Scheuerstellen am Kabel entstehen. Im Schrank wurde nun der Solarregler im vorderen Sichtbereich montiert. Der Regler ist vom Hersteller Carbest und hat eine Solarreglerleistung von 25 Amper. Am Solarreglerausgang sind nun die beiden Fahrzeugbatterien angeschlossen. Wenn nun die Sonne auf das Solarmodul scheint entsteht durch die monokristallin Zellen Spannung. Sobald diese Spannung, auf Grund der Sonnenstärke über die Batteriespannung von 13,5V steigt, regelt der Regler die Ladespannung auf maximal 14,3 Volt runter. Umso stärker die Sonnenenergie ist, umso mehr Strom kann durch den Regler fließen.
P / U = I 120 W / 12V = 10 A
Diese vereinfachte Rechnung zeigt, dass bei maximaler Sonnenkraft ein Ladestrom vom 10 Amper zu den Batterien gelangt.
Zusätzlich wurde am Einbauschrank eine Steckverbindung angebracht. An dieser kann ein faltbares und tragbares Solarmodul angeschlossen werden. Das hierverwendetet Solarmodul von Carbest hat eine Gesamtleistung von 180 Watt. Das Modul hat eine Kabellänge von 5 Metern und kann je nach Bedarf ums Fahrzeug rum aufgestellt bzw. auf die Frontscheibe gelegt werden. Auch dieser Solarstrom ist einzeln abgesichert und am vorhanden Solarregler mit angeschlossen. Der maximale Ladestrom bei diesem Modul liegt bei weiteren 15 Amper. Das heißt bei maximaler Solarausbeute ergibt sich ein Gesamtladestrom von 25 Amper für die Fahrzeugbatterien. Der Solarregler hat noch die schöne Zusatzfunktion einer App Anzeige auf ein Android oder iOS Gerät. Die Verbindung hierfür geht über Bluetooth. Bei dieser App Anzeige werden die Spannungen und Ladeströme angezeigt.
Auf Wunsch des Kunden wurde noch ein zusätzliches Batterieladegerät an den Batterien angeschlossen. Dies ermöglicht ein laden der AGM Batterien durch ein herkömmliches 230 V Haushaltsstromnetz. Hier wurde ein Ladegerät des Herstellers CTEK verwendet. Das CTEK MXS 10A kann bis zu 10 Amper laden. Das wichtigere dabei ist aber die spezielle Ladekennlinie für AGM Batterien. Denn die Spannung bzw. der Ladestrom wird getacktet abgegeben. Dadurch werden die Batterien schonender und voller geladen. Dies wiederum erhöht deutlich die Lebensleistung der AGM Batterien. Zudem kann bei längerem Nichtgebrauch der Batterien eine sogenannte „Ladungserhaltung“ eingestellt werden. Auch dies erhöht die Lebensdauer.
Der Einbauschrank wurde in drei Korpusse unterteilt. Dieser wurde aus zertifizierten und nachhaltigen Dreischicht Fichtenholz gefertigt. In Zusammenarbeit mit einem Schreiner wurde am elektrischen Renault Master Aufmaß genommen. Danach wurden die ersten zwei Korpusse im Fahrzeug fest verschraubt. Nach der Installation der Technik wurde der dritte Korpus mit der Messwand im hinteren Innenraum fest verschraubt. Durch die Verschraubung mit der Karosserie ist auch die Ladungssicherung gewährleistet.
Das rein elektrisch angetriebene und von uns umgebaute Fahrzeug des Kreisjugendrings München-Land hat die Funktion eines Schulungsfahrzeug. Die von uns installierten Bauteile sollen die Arbeit der Umweltreferenten der 29++ Klimaschutzbildung veranschaulichen. Zu diesem Zweck wurden die einzelnen Komponenten sichtbar in einem Einbauschrank untergebracht. Zudem wurde der Schrank durch eine anschauliche „Messwand“ ergänzt. Das heißt es wurde oberhalb des Schrankes eine nach außen hin schwenkbare Holzwand angebracht. Auf dieser ist eine schematische Schaltplanzeichnung angebracht. Auf dieser kann man die einzelne Stromflüsse verfolgen. Die einzelnen Verbindungskabel wurden so verlegt, dass sie jeweils ein kurzes Stück an der Messwand herausschauen. Dadurch kann man mit einer Strommesszange z.B. mit einer Mawek 200A DC den fließenden Strom messen. Durch das verwenden einer Strommesszange ist eine gefahrlose Messung möglich. Zudem wird der Lerneffekt durch diese praktische Anwendung deutlich erhöht.
Ich wünsche Frau Schuster und dem ganzen Team der 29++ Klimaschutzbildung, viel Freude und Erfolg beim täglichen Arbeiten mit der Anlage. Für den stets positiven Gedankenaustausch während der Projektarbeit möchte ich mich nochmal bei Frau Schuster recht herzlich bedanken. Für Verbesserungsvorschläge oder weitere Anregungen bin ich jederzeit per Mail oder Telefon für sie erreichbar.
Mit freundlichen Grüßen
Georg Hauser jun.
