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