Starterbatterie

Aufgabe und Einsatz

Eine Starterbatterie, auch Autobatterie, Fahrzeugbatterie oder SLI-Batterie („Starting, Lighting, and Ignition“) genannt, ist ein Akkumulator, der vor allem die elektrische Energie für den Anlasser eines Verbrennungsmotors bereitstellt. Meist handelt es sich um einen Bleiakkumulator. Sie versorgt außerdem Zündanlage, Steuergeräte, Einspritz- oder Vorglühanlage sowie Verbraucher bei stehendem Motor oder unzureichender Leistung der Lichtmaschine. Sie ist daher ein zentraler Bestandteil des Bordnetzes und nicht nur zum Starten da.

Nicht dazu zählen die Antriebsbatterie eines Elektroautos, die Hybridbatterie eines Hybridelektrofahrzeugs und zusätzliche Versorgungsbatterien, etwa für das Bordnetz eines abgestellten Wohnmobils. Bei Brennstoffzellenfahrzeugen hängt die Einordnung von der Bauform ab.

Beim Start fließen für zwei bis zehn Sekunden mehrere 100 bis 1000 A. Dabei werden beim Benzinmotor ungefähr 0,2 Ah und beim Diesel einschließlich Vorglühen etwa 0,3–0,4 Ah entnommen. Ein niedriger Innenwiderstand verhindert einen zu starken Spannungseinbruch. Nach dem Start versorgt die Lichtmaschine das Bordnetz und lädt die Batterie. Für 0,2 Ah Startverlust werden etwa 3–5 Minuten Fahrt benötigt. Der typische Ruhestrom eines Pkw von 0,02–0,04 A verbraucht zusätzlich ungefähr 0,5–1 Ah täglich; zum Ausgleich sind rechnerisch weitere 7–25 Minuten Fahrt je Standtag nötig. Schnelleres Fahren hilft nicht, weil die Lichtmaschine bereits knapp über Leerlaufdrehzahl ihre volle Ladeleistung liefert und eine kürzere Fahrzeit die Ladezeit vermindert.

Pkw besitzen meist ein 12-V-Bordnetz. Lkw verwenden gewöhnlich zwei gleiche 12-V-Batterien in Reihe für 24 V; ältere Fahrzeuge können 6 V haben. Flugzeuge nutzen wegen des hohen Gewichts von Bleiakkumulatoren auch Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Silber-Zink- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Starten von Kolbenmotoren oder Hilfsturbinen.

Aufbau und Batteriearten

Eine Blei-Starterbatterie besteht aus in Reihe geschalteten Zellen mit jeweils 2 V Nennspannung: drei Zellen ergeben 6 V, sechs Zellen 12 V. In jeder Zelle wechseln dünne positive und negative Polplatten. Poröse, flüssigkeitsdurchlässige Separatoren verhindern Kurzschlüsse. Die positive Aktivmasse besteht hauptsächlich aus Bleidioxid, die negative aus Blei; Polbrücken verbinden jeweils gleichartige Platten. Das Elektrolyt ist Schwefelsäure.

Wichtige Bauarten sind:

• Die konventionelle Blei-Säure-Nassbatterie enthält flüssige Säure und ist nicht gasdicht.
• Die EFB („Enhanced Flooded Battery“) ist eine Nassbatterie mit mehr Blei, besonderer Aktivmasse und Vliesauflagen. Sie ist zyklenfester und für reine Start-Stopp-Systeme ohne Rekuperation geeignet.
• Die AGM-Batterie („Absorbent Glass Mat“) ist ein verschlossener VRLA-Akku, bei dem Glasfaservlies die Säure bindet. Ihr geringer Innenwiderstand ermöglicht hohe Ströme, schnelle Ladungsaufnahme und begrenzte Bremsenergie-Rekuperation. Sie erreicht bis zu viermal so viele Ladezyklen wie eine herkömmliche Batterie, ist aber hitzeempfindlich und wird deshalb oft außerhalb des Motorraums eingebaut.
• Bei der Blei-Gel-Batterie ist die Säure durch Kieselsäure eingedickt. Sie arbeitet lageunabhängig, ist teurer und wird vor allem in Motorrädern und Booten verwendet. AGM-Batterien dürfen höchstens um 90° gekippt werden.

VRLA-Akkumulatoren sind verschlossen und besitzen Sicherheitsventile. Bei mäßiger Überladung kann Sauerstoff intern wieder zu Wasser rekombinieren; bei zu hohem Druck entweicht Gas über das Ventil. „Wartungsfrei“ oder MF („Maintenance Free“) bedeutet hauptsächlich, dass normalerweise kein Wasser nachgefüllt werden muss, nicht dass Ladezustand und Funktion ungeprüft bleiben dürfen.

Nach dem Gittermetall unterscheidet man Blei-Antimon (PbSb), Hybrid (PbSb/Ca) und Blei-Calcium (PbCa). Antimon härtet das Gitter, verursacht aber stärkere Selbstentladung und höheren Wasserverbrauch. PbSb-Batterien verlieren 0,5–2 % Kapazität pro Tag. PbCa-Batterien liegen bei etwa 0,08 % pro Tag und können 12–15 Monate stehen, benötigen jedoch eine etwa 1 V höhere Ladespannung und reagieren bei niedrigem Ladezustand stärker mit Säureschichtung. Lithium-Starterbatterien, besonders LiFePO4, sind wesentlich leichter, benötigen aber Lade- und Schutzschaltungen, kosten bei Pkw etwa das Vier- bis Fünffache und dürfen unter 0 °C nicht ohne Beheizung geladen werden.

Größe, Leistung und Kennwerte

Starterbatterien unterscheiden sich in Abmessungen, Kapazität, Plattenzahl und Startleistung. Typische Kapazitätsbereiche sind 1–32 Ah bei Motorrädern, 36–110 Ah bei Pkw und 100–240 Ah bei Lkw. Die europäischen Abmessungen regelt EN 50342. Maximale Maße betragen bei Pkw 190 mm × 175 mm × 393 mm und bei Lkw 240 mm × 273 mm × 518 mm. Pkw-Batterien wiegen etwa 10–30 kg, Lkw-Batterien 35–65 kg.

Die Nennkapazität Q wird in Amperestunden (Ah) bei 20 Stunden Entladezeit und 27 °C angegeben (K20). Es gilt Q = I · T beziehungsweise I = Q/T. Eine 36-Ah-Batterie kann unter den Normbedingungen 20 Stunden lang durchschnittlich 1,8 A liefern: QN = 1,8 A · 20 h. Für eine Last gilt näherungsweise T = (Qist · Unenn)/Pnenn. Bei hohen Strömen, Kälte und Alterung ist die tatsächlich nutzbare Kapazität geringer; dieser nichtlineare Zusammenhang heißt Peukert-Effekt.

Die benötigte Kapazität hängt unter anderem von Hubraum, Kraftstoffart und elektrischen Verbrauchern ab. Dieselmotoren benötigen wegen ihres höheren Verdichtungsdrucks bei gleichem Hubraum größere Batterien als Ottomotoren. Verbraucher während der Fahrt oder im Stand verkürzen die verfügbare Betriebs- beziehungsweise Standzeit.

Der Kaltstartstrom CCA („cold cranking amps“) beschreibt die Stromlieferfähigkeit bei −18 °C. Pkw-Batterien erreichen meist 200–850 A nach EN, häufig 360–680 A; Lkw-Batterien 500–1200 A. Nach SAE muss eine neue, voll geladene Batterie den angegebenen Strom mindestens 30 Sekunden liefern, ohne unter 7,2 V zu fallen. Nach EN darf sie nach 10 Sekunden nicht unter 7,5 V sinken. Wegen unterschiedlicher Prüfverfahren sind Werte verschiedener Normen nicht direkt gleich. CA bezeichnet den Startstrom bei 0 °C über 30 Sekunden, HCA den Warmstartstrom bei 26,7 °C über 30 Sekunden; jeweils dürfen 1,2 V pro Zelle beziehungsweise 7,2 V insgesamt nicht unterschritten werden. Die Reservekapazität RC oder RCM ist die Ladungsmenge, die bei 25 A bis zur Entladeschlussspannung von 10,5 V abgegeben werden kann.

Laden, Ladezustand und Pflege

Bei 15–25 °C nennt der Artikel als Ladeschlussspannungen für eine 12-V-Batterie je nach Typ 14,4 V für eine nasse PbSb-Batterie, 14,8 V für AGM und 15,4 V für eine nasse PbCa-Batterie. Der normale Ladestrom sollte zur Schonung etwa ein Zehntel der Kapazitätszahl betragen, also beispielsweise 4 A bei 40 Ah. Bei Schnellladung sollte er ein Drittel der Kapazitätszahl nicht überschreiten. Für eine Erhaltungsladung werden etwa 13–13,4 V beziehungsweise höchstens 13,8 V genannt.

Der Ladezustand lässt sich nach mindestens vier Stunden Ruhe näherungsweise aus der Ruhespannung bestimmen. Für sechs Zellen gilt: Ruhespannung = 6 × (0,84 + Säuredichte in g/cm³). Bei einer Nassbatterie entsprechen ungefähr 1,28 g/cm³ und 12,70 V einer Vollladung, 1,24 g/cm³ und 12,50 V etwa 80 %, 1,18 g/cm³ und 12,20 V etwa 50 % sowie 1,10 g/cm³ und 11,80 V ungefähr 10 %. Säureschichtung kann zu irreführend hohen Spannungswerten führen. Der Artikel nennt für Mangelladung unterschiedliche Grenzen von 12,5 V beziehungsweise nach anderen Quellen 12,4 V.

Moderne Batterien können bei richtiger Nutzung 6–10 Jahre halten. Sie sollten überwiegend über 90 % geladen sein; bei 80 % ist zeitnah, darunter sofort nachzuladen. Kurzstrecken unter 5 km, seltene Nutzung, Winterbetrieb und lange Standzeiten erfordern häufig ein externes Ladegerät. Eine neue unbenutzte PbCa-Batterie entlädt sich selbst um etwa 1–3 % pro Monat; gebrauchte Batterien um etwa 6–10 %. Zusätzlich verbraucht das Fahrzeug typischerweise 15–20 mA Ruhestrom, also ungefähr 11–15 Ah monatlich. Vor längerer Lagerung ist die Batterie vollständig zu laden und von Verbrauchern zu trennen.

Bei zugänglichen Nasszellen soll das Elektrolyt etwa 10 mm über den Platten stehen; nachgefüllt werden darf ausschließlich demineralisiertes oder destilliertes Wasser. AGM-Batterien dürfen nicht geöffnet werden. Anschlüsse sollen sauber, fest und gegen Korrosion geschützt sein. Beim Abklemmen wird zuerst der Minuspol getrennt und zuletzt wieder angeschlossen, um Kurzschlüsse gegen die Fahrzeugmasse zu vermeiden.

Schäden und Sicherheit

Mangelladung ist die häufigste Ursache vorzeitigen Verschleißes. Bleibt eine Batterie teil- oder tiefentladen, wachsen die beim Entladen entstehenden kleinen Bleisulfatkristalle zu großen, harten Kristallen zusammen. Diese grobkristalline Sulfatierung verringert Oberfläche, Kapazität und Startleistung dauerhaft. Unter etwa 12,0 V Ruhespannung gilt eine 12-V-Starterbatterie als tiefentladen. Ursachen sind unter anderem vergessene Verbraucher, elektrische Defekte, zu kurze Fahrten oder ein fehlerhaftes Ladesystem.

Lade- und Entladevorgänge verändern das Volumen der Aktivmasse. Dadurch können Teilchen herausbrechen und Bleischlamm bilden; moderne Taschenseparatoren vermindern daraus entstehende Zellenschlüsse. Zusätzlich kann das positive Bleigitter zu Bleidioxid oxidieren. Diese Gitterkorrosion schwächt die Stromableiter und kann eine Zelle ausfallen lassen.

Überladung entsteht durch zu hohe Klemmenspannung, etwa bei einem defekten Regler oder falsch eingestellten Ladegerät. Nach vollständiger Umsetzung des Bleisulfats zerlegt weiterer Ladestrom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Das explosive Gemisch heißt Knallgas. Funken, offenes Feuer sowie heiße oder glühende Gegenstände sind in Batterienähe zu vermeiden. Bei PbSb beginnt Gasung oberhalb etwa 2,4 V je Zelle beziehungsweise 14,4 V bei sechs Zellen; für PbCa nennt der Artikel 2,6333 V je Zelle beziehungsweise 15,8 V. AGM- und Gel-Batterien dürfen generell nicht über 14,8 V geladen werden. Die im Artikel genannten Ladeempfehlungen und Spannungswerte sind teilweise typ- und zustandsabhängig; der Abschnitt zum Vergleich von PbSb und PbCa ist außerdem ausdrücklich als nicht hinreichend belegt gekennzeichnet.

Blei und Bleiverbindungen sind giftig, 37-prozentige Schwefelsäure ist stark ätzend. Augen sind besonders zu schützen; Spritzer auf Haut oder Augen müssen sofort mit viel Wasser abgespült werden, bei Augenkontakt wird ärztliche Hilfe empfohlen. Bei der Starthilfe werden gleiche Pole parallel verbunden, niemals über Kreuz. Der Minusanschluss der Hilfsbatterie soll am Motorblock oder an einem von der Batterie entfernten Karosseriepunkt erfolgen, damit der letzte Funke nicht unmittelbar an möglichem Knallgas entsteht.

Rückgabe und Umweltschutz

Gebrauchte Starterbatterien sind wegen Blei und Säure gefährlicher Abfall und müssen geordnet gesammelt und verwertet werden. Problematisch ist besonders die manuelle Bleirückgewinnung unter unsicheren Bedingungen in Entwicklungsländern.

In Deutschland löste am 1. Dezember 2009 das Batteriegesetz die Batterieverordnung ab. Gibt ein Käufer beim Erwerb einer neuen Fahrzeugbatterie keine Altbatterie zurück, muss der Verkäufer nach § 10 ein Pfand von 7,50 Euro einschließlich Umsatzsteuer erheben. Bei Rückgabe wird es erstattet. Für bereits in Fahrzeuge eingebaute und mit ihnen abgegebene Batterien entfällt die Pfandpflicht.

In Österreich gilt die am 26. Dezember 2008 in Kraft getretene Batterienverordnung. Letztverbraucher können Fahrzeug-Altbatterien mindestens unentgeltlich beim Letztvertreiber, bei Sammel- und Verwertungssystemen der Hersteller oder bei kommunalen Sammelstellen zurückgeben. Im Versandhandel muss der Letztvertreiber mindestens zwei öffentlich zugängliche Rückgabestellen je politischem Bezirk einrichten und deren Öffnungszeiten bekannt geben.