вторник, 3 ноября 2020 г.

Почему повербанк не дружит с солнцем? [Power Bank solar charging problem]

 Часть 1. По поводу реальной емкости PowerBank.

Не секрет, что для хранения энергии современных гаджетов используются аккумуляторы банки или пластины (Li-ion, Li-pol) с напряжениями работы 2.9…4.2 В. При этом необходим строгий контроль токов заряда, разряда, минимального и максимального напряжения такого аккумулятора, для чего используются электронные контроллеры заряда/разряда. Платы таких контроллеров и установлены в корпусе PowerBank, совместно с аккумуляторами. Понятно, что какая-то часть энергии теряется контроллером при заряде банок, какая-то часть теряется при работе повышающего преобразователя с 2.9…4.2 В до 5 В (стандарт USB). Потери могут быть совсем не маленькими, а оценку данных потерь можно выполнить, измерив емкость отдельной банки или сборки, а также, оценив, полученную гаджетом емкость после заряда.

Для измерения емкости аккумулятора я использую прибор LiitoKala Engineer Lii-500, куда подключаю отпаянную и разряженную банку (или сборку банок) Li-Ion аккумулятора напрямую. В более простом варианте можно попробовать измерять емкость, подключив аккумулятор с не отсоединенным микроконтроллером (МК), но измерения могут быть как близкими к истине, так и совсем никакими, т.к. количество тока, забираемого «себе» контроллером заранее неизвестно, а измеренная емкость скорее окажется завышенной, чем заниженной.

Для исследования характеристик повербанков возьму следующие устройства:

Исследуемые образцы «овальный F.O.R CP60», «черный 3Q» и «Астеллас» имеют следующие характеристики:

PowerBank

Заявленная емкость, мА*ч

Изм.емкость банок, мА*ч

Изм.емкость, полученная powerbank, мА*ч

Оценка емкости, переданной в телефон, мА*ч

КПД выхода, %

НоминальныйТок  заряда,  мА.

Минимальный ток заряда, мА

3Q – Черный,

1 пластина,

Iin=1A

Iout=1A

3000

2900

2697

1760 – по моб.телефону

(1576) – по индикатору USB

60

500

3 (При U=3.7 В)

Овальный

3 банки 18650,

Iin=2A

Iout=2A

6600

5200

5380**

3400 – по моб.телефону

(3365) – по индикатору USB

65

1600

90 (при U=3.9 В)

Астеллас

5 банок 18650,

Iin=2A

Iout=2A

15000

10558

*не оценивалось, из-за ошибок работы МК

*не оценивалось, из-за ошибок работы МК

*не оценивалось, из-за ошибок работы МК

*после замены МК

*не оценивалось, из-за ошибок работы МК


* в Астелласе наблюдаются проблемы работы МК с зарядом PowerBank. Он принимает ток 120 мА при Uin=5 В, либо 200 мА при повышенном Uin=6В. Нормальное значение должно быть около 2000 мА!
** Индикатор заряда повербанка показывает окончание заряда, при этом повербанк все еще продолжает заряд малыми токами до 500 ма*ч емкости!
Выходит, около 40% энергии где-то теряется. Где именно ответ будет найден ниже.  
Отмечу, что понижающий входной преобразователь, почти не влияет на КПД повербанка.

Для измерения выходного тока и нагрузочной способности далее будем использовать стандартную 1А или 2А нагрузку, подключенную через измеритель USB.

Часть 2. Что происходит с зарядом от солнца. 
В моем распоряжении имеется солнечная батарея 5…6 В, 16х16 см, с максимальным током около 500 мА на ярком солнце. В пасмурный день выдаваемый ток заметно ниже, примерно 20…100 мА. Работающий с ним в комплекте PowerBank заряжается как током 20 мА, так и 500 мА.
Такой солнечной батареей на ярком солнце можно зарядить «черный» 3Q примерно за 8 часов (1 световой день). В пасмурную погоду его можно заряжать и неделю, это долго, но заряд происходит и в итоге мы получаем заряженный PowerBank!
Однако, большинство PowerBank,  которые я брал в руки, с трудом заряжались от тока 500 мА, и совсем не заряжались от 20…100 мА. С этим эффектом мы столкнулись и в походе по Карелии.
На 49:21 мои комментарии по поводу работы взятых с собой PowerBank’s
Это совершенно неправильно для устройства, функция которого, накапливать любые, даже самые малые порции энергии!
Единственное отличие, которое я пока обнаружил между «заряжаемым» от слабого тока 3Q от остальных, «не заряжаемых» - параметр «максимальный входной ток» I-in, который у 3Q = 1 A, у остальных он 2А. Да, от розетки 2А – это быстрее, но в пасмурный день от солнца – совсем никак.
Видимо, контроллер, пытаясь забрать большой ток от солнечной батареи, просто просаживает ее выходное напряжение, ниже допуска и останавливает процесс заряда. Процесс циклически повторяется, но заряда как такового нет. 

Часть 3. Измерения параметров контроллеров заряда. (03.11.2020)

Наконец поступили исследуемые образцы двух контроллеров с AliExpress для ремонта повербанка «Астеллас» и USB измеритель «напряжение/ток/ёмкость».


Попробуем проверить максимальный входной ток, выходной ток, минимальный входной зарядный ток, КПД преобразователей. Большей частью интересует заряд от солнечной панели в пасмурную погоду.  Для измерений использую USB измеритель и имитатор солнца в виде галогенной лампы мощностью 150 Вт. Для измерения КПД следует измерять мощность на входе и выходе преобразователя для напряжений 4В, что соответствует почти заряженному аккумулятору и 3.5 В, что соответствует почти разряженному аккумулятору.
Первый образец – стаканчик для аккумулятора 18650 С003-V1.1. Входит 1А, выходит 1А. Минимальный ток заряда – 120 мА (при просадке U солн.батреи до 3.5В!), - не подходит для зарядки в пасмурную погоду. Индикаторы: синий – разряд, красный мигающий – заряд. Нагрев катушки при выходном токе 1 А почти не ощущается.
Второй образец – зелёная схема JZ6864-C. Выходной ток 1.064 А, входной зарядный ток 0.54 A (U=5 В), Минимальный зарядный ток 20 мА (при просадке U солн.батреи до 4.2 В)!). При подключении Li-Ion аккумулятора схема мигает несколько раз первой лампочкой. При появлении освещения – загораются все сегменты, далее происходит попытка заряда – индикация показывает последовательное зажигание всех лампочек далее при начале заряда постоянно горят сегменты показывающие текущий заряд и мигает старший из них. Всего 4 сегмента условно 25%, 50%, 75%, 100%. Имеется защита от перегрузки (мигают 4 лампы сразу). При превышенном напряжении аккумулятора мигает одна лампа. Особенность схемы – выход и вход соединены в параллель. Т.е. мы можем и заряжать, и разряжать аккумуляторы используя как Micro-USB так и USB. В каких это случая понадобится не ясно, но есть небольшой риск разрядить аккумулятор, не отсоединив выключенное зарядное устройство (или неосвещенную солнечную панель).
Составим таблицу напряжение/количество горящих светодиодов для JZ6864-C.

Напряжение, В

Индикатор

4,20

2

4

2

3,8

2

3,6

2

3,4

2

3,2

1

3

1 мигает


Более двух лампочек заряда с использованием лабораторного блока питания (БП) зажечь не удалось. Нагрев катушки при выходном токе 1 А ощущается, теплая.
Третий образец – черная сдвоенная плата HSY H968-A-1 V2.0 20190329 с двумя выходными портами 1А и 2.1А. 
Минимальный зарядный ток не более 5 мА (при U=4.478 В). Базовый зарядный ток 1.89 А. Каждый выходной порт USB может выдавать как 1А, так и 2А, но повредит ли ток 2А порту 1А не ясно, проверять лишний раз не хочется. Уточню - выдают не 2А, а даже 2.6А!  Ток подсветки экрана и дежурного режима 20 мА! Ток фонарика 20 мА. Нагрев катушки при выходном токе 1 А не ощущается.
 
Составим таблицу напряжение/процент заряда для HSY. Отмечу, что измерение процентов обновляется только после отключения и подключения БП. Нажатия кнопки вкл/выкл недостаточно, покажет старое значение.

Напряжение, В

Проценты

4,30

100,00

4,20

100,00

4,10

96,00

4,00

85,00

3,90

62,00

3,80

48,00

3,70

29,00

3,60

20,00

3,50

10,00

3,40

5,00

3,30

0,00

Или в графическом виде:

Как видим, контроллер считает аккумулятор разряженным уже при 3.3 В, что является очень щадящей границей, в сравнении с зарядником LiitoKala Engineer Lii-500, который разряжает аккумуляторы гораздо глубже, поэтому повербанк по факту будет выдавать сильно заниженный объем энергии. Контроллер боится, не желает разряжать аккумулятор как следует!
Сведем все измерения в таблицу:

Микроконтроллер

Номинальный ток заряда

Минимальный ток заряда

Ток разряда

КПД выхода, для Ub=3.6 В

КПД выхода, для Ub=4 В

зелёная схема JZ6864-C

0.89 А

20 мА

1 А

Iн=1A

75%

 

Iн=1A

80,3 %

 

Iн=2A

Не проверялось

 

черная сдвоенная схема HSY

1.9 А

5 мА

2.6 А

In=1A

78%

In=2A

Контроллер отключается

При Iн=1A

89,6 %

 

При Iн=2A*

80.3 %

 

стаканчик для аккумулятора 18650. С003-V1.1

1 А

120 мА

1 А

In=1A

68%

 

Iн=1A

76%

 

Iн=2A

Не проверялось

 

 

* измерения выполнены по амперметру БП. Через подключение внешнего амперметра измерения на 2А не удаются, устройство контроллера уходит в защиту.
Для повышения КПД преобразования «вверх» имеет смысл рассмотреть замену катушки индуктивности. Подбираем катушку той же индуктивности, но с более толстым проводником и сравниваем КПД по схеме "было/стало". 

Выводы:
Оптимально для заряда телефона подключать его напрямую к солнечной батарее, это минимизирует потери в преобразовании энергии, однако не всегда возможно, и тогда требуется использовать буферное устройство - PowerBank для накопления энергии. 
Основные потери связаны с повышающим преобразователем энергии.
Только микроконтроллеры с малыми номинальными токами заряда подходят для работы с солнечными батареями в пасмурную погоду.
При работе с любым повербанком, важно убедится в том, что  энергия действительно накапливается устройством, т.к. любая индикация может быть не достоверной
КПД повышающих преобразователей в повербанках можно принять от 70 до 90 %. КПД отдачи выше при более заряженном повербанке.
Заявленная емкость повербанка соответствует заводской емкости блока аккумуляторов внутри него, при этом микроконтроллер будет их разряжать очень осторожно, тем самым снижая отдачу ёмкости вплоть до 50%.

Для связи mail:  lis-soft /*at*/rambler   точка   ру
Лавриненков Игорь / R2AJA

Комментариев нет:

Отправить комментарий