Nach einiger Zeit – und zugegeben, auch einigen Misshandlungen mit tiefer Entladung – war es soweit und die Batterie beim Jeep war so platt, dass sie getauscht werden musste. Tatsächlich hätte ich beim letzten Tausch schon gerne eine AGM-Batterie eingesetzt, aber damals musste es schnell gehen und es wurde eine beim Ersatzteilehändler verfügbar. Gegen ein paar AH mehr (bzw. nutzbare Kapazität) hätte ich auch nichts, allerdings ist der Bauraum sehr beengt, so dass ein einfacher Austausch gegen eine größer bauende Batterie nicht möglich ist.
Verwendete Teile
- Optima Yellow Top 75 Ah
- SGX Batteriekabel schwarz 34 mm² / AWG2, ca. 3 m
- Wellschlauch geschlitzt 12 mm / 17 mm, jeweils ca. 2 m
- Schrumpfschlauch schwarz mit Kleber 12,7 mm²
- 4 * Rohrkabelschuh 35mm² M8
Warum eine Spiralzellen-AGM-Batterie?
Eins vorne weg: eine Lithium (LiFePo)-Batterie wäre einer Blei-Säure-Batterie in den meisten hier beschriebenen Eigenschaften überlegen. Allerdings verfügen sie nur über ein geringes Temperatur-Fenster für Betrieb und Lagerung. Laut Datenblättern geht dieser für Betrieb ja nach Batterie von -20°C – +60°C, für Lagerung von -45°C bis +70°C [1][2]. Inzwischen gibt es von Accurat die Impulse, eine LiFePo4-Starterbatterie die von 0°C-55°C geladen und von 0°C-75°C entladen werden kann [3]. Da dies nicht nur die Lebensdauer beeinträchtigen kann sondern – je nach Batterietyp – auch zu Bränden führen kann und die neue Batterie an der originalen Einbauposition im Motorraum verbaut werden sollte, wo Temperaturen weit außerhalb des Termperatur-Fensters für Lithium-Akkus vorkommen, habe ich mich hier auf Varianten von bewährten Blei-Säure-Batterien beschränkt.
Ziel des Einbaus einer großen Batterie ist, ein paar Ah Reserve zu haben, wenn der Jeep z.B a.uf der Durchreise, evtl. mit Wohnwagen, mal eine Nacht steht. Neben einer ausreichenden Zyklenfestigkeit ist etwas Reserve beim Startstrom kein Fehler, da der Innenwiderstand einer Batterie im entladenen Zustand zu- und der maximale Strom damit abnimmt [4] [5].
Zu diesem Zeitpunkt hatte ich schon „Standard“-Blei-Säure-Batterien mit flüssgem Elektrolyten gegen Prismatische AGM und im BMW gegen eine Optima Spiralzellen-AGM-Batterie getauscht. Im BMW ist aus Gewichtsgründen die original 70AH Blei-Säure-Batterie gegen eine nominell fast nur halb so große 38 Ah Optima YT 2.7 getauscht worden. Die hohe Stromlieferfähigkeit der AGM-Batterien lässt sich beim Starten sofort erleben. Die Optima YT im BMW ist trotz ähnlichem Alter wie die Nassbatterie im Jeep und mehrfachen ungeplanten Tiefentladungen durch lange Standzeiten scheinbar noch topfit. Auch wenn das keine ernsthaften Tests sind, so wirkt die hohe Leistungsfähigkeit und Robustheit einer AGM-Batterie plausibel.
Woher kommen die Vorteile der AGM bzw. Spiralzellen-Batterien? Dazu sind ein paar Grundlagen der Arbeitsweise einer Blei-Säure-Batterie und die üblichen Versagensmechanismen zu verstehen, damit die Vorteile von AGM/Spiralzellen klar werden. Im voll geladenen Zustand liegt an der Anode (negativer Pol) reines Blei (Pb) vor und an der Kathode (positiver Pol) Bleioxid (PbO2), der Elektrolyt ist flüssige Schwefelsäure. Im voll entladenen Zustand liegt an beiden Elektroden PbSO4 vor. Die Schwefelsäure nimmt an der Reaktion teil, so dass deren Konzentration deutlich abnimmt. Die vollständigen Reaktionsgleichungen lassen sich z.B. in [4], [5] oder auf Wikipedia nachschauen. Wichtig ist hier zu verstehen, welche Mechanismen insbesondere bei zyklischer Belastung zur Alterung der Batterie führen:
- Durch Sulfatierung im teilentladenen Zustand entstehen große Sulfatkörner an den Elektroden, die sich nur schwer wieder zurück wandeln lassen [4], [5], siehe auch Wikipedia
- Durch Säureschichtung sammelt sich höher konzentrierte Säure am Boden des Gehäuses, was Sulfatierung der Anode begünstigt [4]
- Beim Abschlammen lösen sich Partikel von der Elektrode und sammeln sich am Boden, was nicht nur zu Verlust an aktiver Masse führt sondern auch zu Kurzschlüssen führen kann [4] [5]
Eine Batteriezelle besteht für bessere Stromlieferfähigkeit in der Regel aus einem Satz dünner Platten für Anode und Kathode. Bei einem 12V-Akkumulator sind sechs dieser Zellen in ein Gehäuse eingebaut. Während bei einer Nassbatterie der Elektrolyt (die Schwefelsäure) flüssig vorliegt, ist sie bei eine AGM-Batterie in einem Glasfaser-Vlies gebunden. Dies reduziert die Säureschichtung [4] und verhindert das Abschlammen [4] [5], da die aktive Masse durch das Glasfaservlies in ihrer Position gehalten wird.
Eine Spiralzellen-AGM-Batterie geht einen Schritt weiter: Anstelle prismatische Platten zu verwenden, werden die aktiven Massen auf dünne Folien aufgebracht, gewickelt und unter hohem Druck in ein rundes Gehäuse pro Zelle eingebracht. Da für die Elektroden keine Gitter gegossen werden müssen, kann hochreines Blei verwendet werden, was Selbstentladung und Gitterkorrosion verringert [5]. Im Akkutest der Reisemobil International wurde die Optima YellowTop 75Ah mit anderen AGM/Gel-Batterien von 80Ah – 95Ah verglichen, wobei die lieferbare Energie insbesondere bei hohen Strömen mit den teilweise deutlich größeren Batterien mithalten konnte [6].
Ein Test in der Zeitschrift „Reisemobil“ im Vergleich mit anderen Gel/AGM-Batterien mit 80 Ah – 95 Ah hat ergeben, dass die 75Ah Optima – gerade bei hohen Strömen – eine Energie liefern kann, die durchaus mit nominell etwas größeren Batterien mithält [6].
Neue Batterie und neuer Halter
Die einfacher Möglichkeit wäre, eine in den Original-Bauraum (der beim Jeep WJ mit 278 mm x 175 mm x 190 mm nicht allzu üppig ist) passende Batterie zu wählen. In dieser Größe gibt es auch AGM-Batterien , z.B. die Exide EP 600 Dual AGM oder die Varta LA 70. Optima empfiehlt die , die in den Original-Bauraum passt. Mit diesen Batterien sind zwar schon einige der Vorteile einer AGM-Batterie zu erzielen, ich hätte mir aber schon mindestens „eine Nummer“ größer gewünscht. Vielleicht hätten sich mit dem Original-Batteriehalter auch noch ein paar cm gefunden, inzwischen hat er bei unserem Jeep aber ein paar Risse. Einfach eine „Große“ und dementsprechend schwere Batterie drauf zu packen (Die Kapazität hängt ja an der Menge verbautem Blei) könnte also bald ein unschönes Ende nehmen.
Tatsächlich habe ich bei cad4x4.com einen Problemlöser gefunden: Dort gibt es CAD-Dateien für einen Halter für die größte Optima mit 75 Ah, auf Nachfrage konnte ich auch ein fertiges Teil bekommen. Das Bild unten links zeigt die drei Batterien im Vergleich: Links die 38 Ah Optima Yellow Top aus dem BMW, in der Mitte die 80 Ah Banner, die im Jeep verbaut war, und rechts die 75 Ah Optima Yellow Top. Hier ist sichtbar, dass die 75 Ah Optima YT deutlich höher baut als eine Batterie mit Originalabmessungen. Trotz der nominell um 5 Ah kleineren Kapazität ist die Optima YT nicht nur größer, sondern auch deutlich schwerer.
Unten rechts sind der cad4x4-Halter für die Optima und der original-Kunststoffhalter abgebildet. Der cad4x4-Halter baut deutlich schlanker und flacher, was die zusätzliche Höhe für die 75 Ah Optima-Batterie schafft. Zu Bedenken ist beim Größenvergleich aber, dass der Halter für die Stromverteilung im Motorraum (linker Teil des Original-Halters) beim cad4x4-Halter nicht enthalten ist und noch vom Original-Halter übernommen werden muss.
Einbau von Halter und Batterie
Nachdem der Original-Batteriehalter ausgebaut war, war die erste „Anprobe“ schnell durchgeführt und zeigte, dass die Batterie mit dem neuen Halter grundsätzlich gut passt (unten links). Trotzdem gab es im Detail noch ein paar Arbeiten auszuführen, bevor alles funktional und wieder befestigt war.
Die Original-Stromverteilung im Motorraum nicht am cad4x4-Halter befestigen. Den entsprechenden Teil habe ich vom Original-Halter abgetrennt (unten rechts). Der abgetrennte Teil lässt sich mit den zwei Original-Schrauben am Kotflügel befestigen, womit der Sicherungskasten zunächst ausreichend befestigt zu sein scheint (2. Reihe links). Außerdem passte die Höhe der drei Verschraubungen des neuen Halters nicht ganz zur Karosserie, was sich aber mit einem Unterlegblech beheben lies.
Neue Massekabel
Eine weiteres Problem rund um die Batterie war das Massekabel. Die Masseklemme ist mit dem doppelten Massekabel vergossen/vercrimpt und aus recht weichem Material, dass schon erste Risse aufweist. Außerdem war die formschlüssige Halterung der Klemmschraube soweit verformt, dass sie sich beim Anziehen der Mutter ohne Hilfsmittel mit gedreht hat (1. Reihte unten links). Kein Vertrauenswürdiger Zustand! Daher musste zumindest eine neue Masseklemme her. Da die Klemme auf die eher knappen Kabel gepresst ist, habe ich mich am Ende für ganz neue Massekabel entschieden.
Beim Ausbauen des alten Kabels habe ich noch eine interessante Stelle entdeckt: Eines der „dicken“ Massekabel führt zum Motorblock. Die Kontaktstelle dort war stark korrodiert (1. Reihe unten rechts). Das verhindert den Stromfluss nicht vollständig, ist der Leitfähigkeit aber nicht zuträglich und führt bei den hohen Anlasserströmen zu einem erhöhten Spannungsabfall. Vor dem Anbringen des neuen Massekabels habe ich diesen Kontakt daher gründlich entrostet.
Das Massekabel musste zum Anbringen dann noch etwas vorbereitet werden, da der Kontakt in ca. 45° zum Kurbelgehäuse steht und das Kabel einen scharfen 90°-Knick macht (ein „Winkelrohrkabelschuh 45°“ wäre hier vermutlich vorteilhaft gewesen). Nach entsprechendem Anwinkeln der Rohrklemme im Schraubstock habe ich das Kabel mit einer Heißluftpistole vorgewärmt (der dicke Mantel ist recht störrisch). Der 90°-Knick lässt sich dann über einem Runden Stab, z.B. einer Verlängerung aus dem Ratschenkasten, herstellen (2. Reihe unten links).
Ein weiteres Kabel führt von der Batterie-Masse zur Karosserie neben der Motorraum-Stromverteilung. Die Kabel sind alle mit (hydraulisch) vercrimpten Rohrkabelschuhen abgeschlossen, der Übergang Kabel-Kabelschuh ist mit Schrumpfschlauch versehen und die Kabel sind in Wellrohren verlegt.
Als Massepol haben ich eine Variante eines „Hella IBS200“ verwendet. Ein Vorteil ist, dass er durch den herausgeführten Anschraubpunkt recht niedrig baut – der Platz unter der Motorhaube ist mit der hohen Optima recht knapp. Theoretisch lassen sich auch ein paar Daten der Batterie auslesen – das ist aber Inhalt für ein weiteres Projekt. Im Bild in der 2. Reihe unten rechts ist das Endergebnis mit der befestigten Optima-Batterie, der neuen Masseklemme und den neuen Massekabeln gezeigt.
Fazit
Mit dem cad4x4-Halter lies sich die „große“ 75ah Optima Yellow Top mit kleineren Modifikationen im Jeep WJ einbauen. Sie hat inzwischen ca. 1,5 Jahre Dienst getan und dabei die Erwartungen an die Leistungsfähigkeit voll erfüllt. Die volle „Startpower“ zeigte sich erst nach Austausch von „Plus“-Kabeln und Anlasser – dazu in einem folgen Beitrag mehr.
Quellen
[1] Victron Energy: „Datenblatt 12,8 & 25,6 Volt Lithium-Eisenphosphat-Batterien Smart mit Bluetooth“, Almere, Netherlands, abgerufen am 05.10.2024
[2] Liontron: „Datenblatt LiFePO4 LIONTRON HighCurrent 12,8V 80Ah / CCA1200A“, Gefrath, Deutschland, abgerufen am 05.10.2024
[3] Batterium: „Datenblatt Impulse LFP I100 L5 100AH 12,8V 1500A“, Freiberg am Neckar, Deutschland, abgerufen am 05.10.2024
[4] H. Wallentowitz, K. Reif (eds.): Handbuch Kraftfahrzeugelektronik, Wiesbaden, Deutschland: Vieweg & Sohn Verlag, September 2006, S. 250 ff.
[5] Kannan, A.,M. (n.d.) Batterie Technologies Specialization [MOOC]. Coursera. https://www.coursera.org/specializations/battery-technologies. Die meisten Details für Blei-Säure-Batterien werden in Module 3 von Teil 2, „Zn and Ni Based Batteries“, vorgestellt.
[6] Reisemobil International 09/2009, „Der Ah-Effekt“, DoldeMedien Verlag, Stuttgart