[Jak to działa] Power bank – za co odpowiada elektronika sterująca?

Adrian Celej Artykuły 2017-10-07

Na co dzień mamy do czynienia z przeróżnymi urządzeniami i technologiami. Często nie zdajemy sobie sprawy z tego, jak to wszystko działa (lub nie działa) i ile przeróżnych rozwiązań jest potrzebnych do wykonania z pozoru prostych zadań. Teksty z serii „Jak to działa” będą ukazywały się co tydzień. Tym razem zajmiemy się zasadą działania power banku.

Z czego zbudowany jest power bank?

Podstawą są akumulatory. Najczęściej montowane są ogniwa 18650, ich ilość, marka i pojemność jest zależna od producenta. Oczywiście nie ma tu reguły, coraz częściej spotykane są płaskie power banki z ogniwami litowo-jonowymi, podobnymi do tych, które montowane są w telefonach i tabletach. To rozwiązanie ma swoje wady i zalety. Płaskie ogniwa są w stanie zmagazynować więcej energii i lepiej wypełnić pustą przestrzeń. Z drugiej strony są znacznie droższe i mniej bezpieczne. W środku power banku znajdziemy również elektronikę, odpowiedzialną za kontrolowanie procesu ładowania akumulatorów i podłączonego do portu USB urządzenia.

Proces ładowania i rozładowywania

Wbrew pozorom to właśnie elektronika ma do wykonania najtrudniejsze zadanie. Na większości power banków znajdziemy informację o napięciu 3,7 V i określonej pojemności. Tutaj pojawia się problem, ponieważ ładowany telefon korzysta z tego samego napięcia, ale do ładowania potrzebuje 5 V, w przypadku przeróżnych technologii szybkiego ładowania nawet więcej. Tutaj pomaga właśnie elektronika sterująca, która przy pomocy przetwornicy step-up podnosi napięcie ładowania do zgodnego ze standardem USB 5V. W drugą stronę, podczas ładowania power banka aktywuje się przetwornica step-down, która obniża napięcie do około 4,2 V. Zazwyczaj za wszystko odpowiada jeden układ scalony nazywany kontrolerem ładowania.

Ciepło, straty energii i ograniczenia

Niestety, przetwornice nie są urządzeniami idealnymi. Podczas pracy wydzielają się ogromne ilości ciepła, które jest niczym innym, jak zmarnowaną energią pochodzącą z wbudowanych akumulatorów. To właśnie problemy z odprowadzaniem ciepła ograniczają wydajność naszego banku energii. Kontroler posiada zabezpieczenia, które nie pozwalają przekroczyć z góry określonego prądu ładowania. Te same zabezpieczenia odcinają zasilanie w przypadku zwarcia. Na Aliexpress bez problemu znajdziemy przetwornice nie posiadające takich zabezpieczeń. Chwila nieuwagi wystarczy, aby ujrzeć dym wydobywający się z układów scalonych. W takich przypadkach przetwornica zazwyczaj nadaje się tylko do wyrzucenia. Obniżanie napięcia podczas ładowania power banku jest nieco prostsze, dzięki czemu z urządzenia nie wydziela się tak duże ciepło.

Marketing a miliamperogodziny

Wszyscy przyzwyczailiśmy się do podawania pojemności power banków w miliamperogodzinach. W zasadzie jest to tylko chwyt marketingowy, ponieważ przy dzisiejszych pojemnościach można korzystać z amperogodzin. Niestety, lepiej brzmi pojemność 10000 mAh niż 10 Ah. Tu pojawia się inny problem – pojemność ta dotyczy zamontowanych akumulatorów, nie oddawanego prądu. Prąd ładowania musi przejść przez przetwornicę (gdzie są duże straty), a następnie przez układ ładowania telefonu, gdzie jest ponownie obniżany. Jeżeli zmierzymy oddany prąd przy napięciu 5 V okaże się, że uzyskamy jedynie około 50% pierwotnej pojemności. Pomijam tu kwestię zawyżonej, czasem nierealnej pojemności podawanej przez producenta.

Czy power bank można udoskonalić?

Teoretycznie możliwe jest zastąpienie spiętych równolegle akumulatorów sekcjami po 2 połączone szeregowo. W ten sposób uzyskamy napięcie 7,4 V, co powinno ułatwić proces rozładowywania. Niestety,w tym przypadku konieczne będzie użycie przetwornicy step-up do ich ładowania. Tu pojawia się kilka problemów. Podczas ładowania akumulatory mogą się nagrzewać, co w połączeniu z rozgrzaną przetwornicą może doprowadzić do niebezpiecznej sytuacji. Istnieją kontrolery dla pakietów 2S (akumulatorów spiętych w dwie sekcje), jednak są one znacznie droższe, sam za taki zapłaciłem ponad 20 zł. Nie spotkałem się z kontrolerami pozwalającymi na ładowanie z portu USB, konieczne byłoby korzystanie z zewnętrznych przetwornic. Ostatnim problemem znów jest wykorzystywana w marketingu pojemność. Lepiej brzmi oznaczenie 3,7 V 4000 mAh, od 7,4 V 2000 mAh. W obu przypadkach zastosowane byłyby te same akumulatory w tej samej ilości. Rozwiązaniem byłoby korzystanie z watogodzin (Wh), jednak ten parametr nie jest kojarzony przez konsumentów. Sam w przyszłości podejmę się takiego eksperymentu i opublikuję wyniki.

Rozwiązanie idealne?

Na rynku brakuje ogniw o wyższej pojemności. Gdyby istniały akumulatory o napięciu 5V, możliwe byłoby wyeliminowanie przetwornicy lub przynajmniej zminimalizowanie jej znaczenia. Niestety, takie ogniwa nie istnieją i nic nie wiadomo mi na temat ewentualnej produkcji. Teoretycznie możliwe byłoby wprowadzenie do telefonów dodatkowego złącza, pozwalającego na ładowanie niższym napięciem z innych akumulatorów. W takim przypadku można by było wyeliminować jedną przetwornicę lub w pewnych sytuacjach obie. Tymczasem pozostaje nam pogodzić się z ograniczeniami technologicznymi, których nikt nie próbuje przełamać.



  • Konrad Jawor

    Serio?!

    1. „To właśnie problemy z odprowadzaniem ciepła ograniczają wydajność naszego banku energii.” – Jak by tak było, to dołożyli wentylator. Tak serio, każde urządzenie elektroniczne ma swoją sprawność, nigdy nie jest ona 100%. Cześć energii trafia do ogniw, reszta jest wykorzystana do pracy przetwornicy, pozostała część jest zamieniana na ciepło.

    2. „Obniżanie napięcia podczas ładowania power banku jest nieco prostsze, dzięki czemu z urządzenia nie wydziela się tak duże ciepło.” – no chyba nie.

    3.”Tu pojawia się inny problem – pojemność ta dotyczy zamontowanych akumulatorów, nie oddawanego prądu. Prąd ładowania musi przejść przez przetwornicę (gdzie są duże straty),” – 8% strat to dużo ?

    4.”Jeżeli zmierzymy oddany prąd przy napięciu 5 V okaże się, że uzyskamy jedynie około 50% pierwotnej pojemności.” – Oryginalny Power Bank Xiaomi 10000mAh Model 2016 — 62.5%. I nie straszcie tym ludzi, baterie w waszych telefonach mają napięcie znamionowe 3,6-3,85V. Co oznacza ze do waszych telefonów trafia ponad 80% energii.

    5. „Podczas ładowania akumulatory mogą się nagrzewać,” – dlaczego ? prąd ładowania jest przecież niższy. Tu dowód na to, że można — Power Bank Romoss Sofun 4 PB14 10400mAh Konstrukcja 4S1P

    6. „Na rynku brakuje ogniw o wyższej pojemności. Gdyby istniały akumulatory o napięciu 5V,” – 3400mAh na ogniwo to mało ? Najpierw mało na rynku akumulatorów o wysokiej pojemności, później za niskie napięcie. Strasznie słaba ta technologia. Dobrze że Musk tak nie narzeka.

    7. „Teoretycznie możliwe byłoby wprowadzenie do telefonów dodatkowego złącza, pozwalającego na ładowanie niższym napięciem” – Stary to już jest „dash charge”

  • as007

    „Wbrew pozorom to właśnie elektronika odwala najtrudniejsze zadanie.” Serio? Odwala? To ma być artykuł na poważnym portalu?

  • stark2991

    Mam taki powerbank jak na ostatnim zdjęciu, Xiaomi deklaruje rzeczywistą pojemność na poziomie 6250mAh. I o ile nie mogę tego dokładnie sprawdzić, to wiem że faktycznie jest blisko tego. Deklarują sprawność układu w powerbanku na minimum 88% (przy obciążeniu 1C), czyli raczej niewielkie. Jaka jest sprawność układu w telefonie to zagadka.

  • Pietr

    Nie wiem skąd wzięliście, że uzyskamy tylko 50% pojemności. Gdzieś ostatnio na YT oglądałem filmik, gdzie gościu robił dość szczegółowy test chińskich powerbanków i nie chodzi mi o samą ich pojemność a test sprawności przetwornic. I tych samych chińskich klasowały się na poziomie 75-80%.

    • Damian

      Też miałem napisać, że z tymi 50% to trochę przesadzili. Jeśli mnie pamięć nie myli, to około 77% wydajności mają przetworniki 3,7V -> 5V. Chociaż prawdą jest to, że pojemność podana przez wielu niskobudżetowych producentów należy podzielić przez 5 i to nie ze względu na straty przetwornicy, a po prostu jawnego oszustwa na nadrukach akumulatorów w nich zawartych. Dla każdego kto ma jakichś zapał do elektroniki to polecam samemu spróbować stworzyć swój powerbank, zamiast kupować malowane lisy z nadrukiem 20000 mAh wielkości dwóch palców.

    • Adrian Celej

      Te 25-30% marnuje przetwornica, reszta wynika ze zmiany napięcia. Pojemność jest parametrem względnym, zależnym od napięcia. Z tego powodu lepiej sprawdzają się watogodziny.