Meine Versuchs Powerbank

Ich baue mir gerade eine Powerbank. Ziel ist es das sie aus verschiedenen Quellen gleichzeitig geladen werden kann, auch wenn gerade ein Gerät daran geladen wird. Diese Möglichkeit haben die anderen Powerbänke nicht. Die Idee kam in Verbindung mit USB Solarpanels, die je nach Ausrichtung und Wetter selten die angegebene Leistung erreichen. Ein Zwischenspeicher ist also sinnvoll wenn das Handy nicht ständig das Laden wegen zu geringer Ladeströme abbrechen soll. Die meisten Powerbänke müssen dann vom Solarpanel getrennt werden damit man das Handy anschließen kann. Meine kann gleichzeitig aus drei Quellen geladen werden UND gleichzeitig 1 bis 2 Geräte laden/versorgen.

Eingang

Micro-usb Buchse -> Ladecontroller

| |

| V

| LiFePO4 Akku

| |

V V

Power multiplexer <- Step up Spannungswandler

|

V

USB Buchse

Ausgang

Zwei solcher Gruppen teilen sich einen Akku.

Der dritte Eingang wird sowohl aus USB als auch von Gleich- und Wechselspannungen im Bereich 4V - 12V versorgt werden können.

Derartige Eingänge und Ausgänge können beliebig hinzugefügt werden und auch die Kapazität des Akkus kann den eigenen Bedarf angepasst werden. Man muss aber daran denken das ein 3000mAh LiFePO4 Akku nicht einen Li-Ion Handyakku mit 3000mAh 100% vollständig aufladen kann. In einem 3000mAh 3,2V LiFePO4 Akku sind 9,6Wh gespeichert. Nach einem Spannungswandler mit 85% Wirkungsgrad sind es 8,16Wh; bei 5V also nur 1632mAh. Die werden nun im Handy durch einen Spannungswandler in einen Li-Ion Akku geladen. Wenn der Spannungswandler 90% Wirkungsgrad hat kommen 1932mAh im Handyakku an. Ich hoffe das Rechenbeispiel erklärt die Zusammenhänge und die Wandlerverluste.

Um solche Wandlerverluste innerhalb der Powerbank zu minimieren setze ich Powermultiplexer ein, das sind automatische Umschalter die den Strom vom Eingang direkt an den Ausgang durchschalten können und so den Umweg über den Akku und 2 Spannungswandler und die damit verbundenen Wandlerverluste vermeiden können. Wenn ein Verbraucher angeschlossen ist wird er direkt vom Eingang versorgt. Wenn die Eingangsspannung unter 4,8V fällt wird automatisch umgeschaltet und der Verbraucher aus dem Akku versorgt.

Mehrere Eingänge zu haben bietet die Möglichkeit z.B. mehrere Solarpanele paralell verwenden bei schlechtem Wetter oder in Kombination mit einem Fahrraddynamo, oder......

Andererseits kann man auch mit 3 Netzteilen gleichzeitig die Powerbank laden, mit den verwendeten Ladercontrollern währen dann bis zu 6A Ladestrom möglich! Ein 6Ah Akku währe dann also schon in einer Stunde voll.

Eine einfache Taschenlampenfunktion ist in Überlegung.

Das ganze wird derzeit mit fertigen Modulen realisiert die über die Bucht aus China gekommen sind. Bei anderen Händlern sind sie auch zu finden. Der Vorteil besteht darin das alles leicht zu handhaben und zu tauschen ist. Wenn ich zu einem endgültigen System komme kann ich eine richtige Platine entwerfen und herstellen.

Auf dem Bild ist nur eine Eingang/Ausgang Gruppe zu sehen, am Ende werden 2 identische Gruppen eingebaut sein.

Der fliegende aufbau auf dem Bild ist also erstmal für versuche so gewollt. Ober sind 2 Akkuzellen, darunter das blaue Modul ist ein Aufwärtswandler, rechts daneben in Rot der Ladecontroller, darunter un grün der Powermultiplexer mit der Micro-USB Buchse und ganz unten die USB Typ A Buchse als Ausgang.

Die nächste Entwicklungsstufe ist zusammengelötet. Jetzt funktionieren schon 2,5 Eingänge und 2 Ausgänge. Den maximalen gesamten Eingangsstrom konnte ich noch nicht messen, sollte rechnerisch ca. 3A betragen. Ein Handy konnte ich schon mit 1,5A laden. Im Vergleich zur Vorstufe sind einige Details verbessert, so zu Beispiel größere Leiterquerschnitte, lastverteilung und zusätzliche Pufferkondensatoren. Der dritte Eingang wird noch herausgeführt, durch die lastverteilung konnte er aber schon mitarbeiten.

Der Ladecontroller ist mit einem Tp5000 bestückt, der aufwärtsWandler mit einem MT3608. Der Powermultiplexer ist unter "pololu power multiplexer" zu finden. Der Rest sind Dioden, Tantalkondensatoren und Drähte.

Nach einer Woche Testbetrieb ist das erste Fazit positiv. Die Kapazität des Akkus ist klein, für tests aber ausreichend. Der Betrieb mit 2 Usb Solarpanels war klasse. Gleichzeitig Handy laden hat auch gut funktioniert. Die Lastverteilung ist noch nicht ideal und die wärmeentwicklung bei größeren Strömen stören mich noch.

Ich bin derzeit bei 25 Euro. Mit der Effizienz hast du recht. Die Module sind sehr praktisch für versuchsaufbauten, für ein Endprodukt würde ich warscheinlich auch andere Schaltkreise verwenden. Ein Gehäuse kommt erst wenn das Innenleben fertig ist.

Was mir jetzt noch fehlt ist eine Ladezustandsanzeige, hab ich noch nivht als Modul für LiFe gefunden.

Usb Ladegeräte sind alle recht unintelligent. Die einfachen sind nur ein Steckernetzteil mit USB Buchse. Die dürfen 5V +5% nicht überschreiten, können aber bis auf 4V absacken. Die Datenleitungen sind in der USB Buchse kurzgeschlossen damit das Gerät (meistens Handy) erkenntdas es ein Ladegerät ist und kein Computer. Bei einem Computer darf das Handy 100mA ziehen, wenn es den Computer fragt auch 500mA. Erkenntes ein Ladegerät dann zieht es ungehindert Strom, je nach Modell bis zu 2A. Modernere Ladegeräte können auf Anfrage moderner Handys die Ausgangsspannung verändern. Dazu haben diese Ladegeräte einen Chip an der USB Buchse. Über die Datenleitungen erkennt das Handy diesen Chip und signalisiert ihn über verschiedene Spannungspegel welche Ausgangsspannung das Ladegerät liefern soll. Am weitesten verbreitet ist QuickCharge, das kann 5V, 9V, 12V oder 20V liefern, die aktuelle Version kann auch Spannungen dazwischen wenn das Handy modern genug ist und diese anfordert.

Ladegeräte mit mehreren USB Aushängen können meist nur 5V ausgeben und haben die Buchsen einfach parallel geschaltet. Manchmal ist auch noch eine extra Buchse dabei die andere Spannungen auf Anfrage liefern kann.

USB Kabel die als reine Ladekabel verkauft werden und nur die Stromleitungen aber keine Datenleitungen beinhalten haben einen Kurzschluss der Datenkontakte im Anschlussstecker, sonst würde das Handy nicht laden, den eine Stromversorgung ohne Identifikation der Quelle ist nicht vorgesehen. Solche Ladekabel sind ungeeignet für Ladegeräte die ihre Ausgangsspannung verändern können. Damit können auch moderne Handys an modernen Ladegeräten nur langsam laden.

Das USB Ladegerät ist immer nur ein Netzteil ohne Ladeelektronik, die steckt immer in dem Gerät in dem auch der Akku steckt.

Ladestrom wird übrigens nicht mit dem Ladegerät ausgehandelt sondern ergibt sich von alleine aus der Spannung, den Wiederständen in Kabel, Steuern und Buchsen, sowie der Strombegrenzung der Ladeelektronik und dem Innenwiederstand des Akkus.

Wenn 2 Geräte paralell an einem Ladegerät angeschlossen sind dann handeln sie nichts aus, sie ziehen nur Strom soviel sie brauchen. Wenn das Ladegerät nicht genug Strom liefern kann bricht die Spannung ein, wodurch sich der Strom dann auch reduziert.

Apple legt ja schon immer wert darauf inkompatibel zum Rest der Welt zu sein, dehalb haben alte Ladegeräte von Apple verschiedene Spannungspegel auf den Datenleitungen damit das IPhone es als kompatibel anerkennt. Das führte schon dazu das ältere iPhone an modernen Schnellladern fälschlicherweise höhere Spannungen anforderten und zerstört wurden.

Eine Powerbank macht die Spannungswandler nicht intelligent. In dem Fall wären es nur vier dumme Lader die von einen dummen Netzteil versorgt werden. Das Problem liegt im Aufbau der Powerbank. Eine billige Powerbank hat für gewöhnlich einen Eingang einen Ausgang. Die Elektronik darin kann die 5 V vom Eingang auf 4,2 V für den Akku runter regeln, aber auch die 3-4 V vom Akku auf 5 V Hochregeln für den Ausgang. Aber nicht beides gleichzeitig, denn der interne Aufbau besteht aus einem Schaltkreis und einer Spule die sowohl für das herunter regeln zum Laden als auch zum Hochregeln für den Ausgang benutzt werden. Ältere Powerbänke hatten dagegen einem Regler zum Laden des Akkus und einem zweiten Regler zum erzeugen der 5 V am Ausgang. Diese waren damit auch schon passthrough fähig. Wie der aktuelle Aufbau einer modernen passthroughfähigen Powerbank ist konnte ich noch nicht untersuchen. Im einfachsten Falle wird sie auch zwei getrennte Regler besitzen, vielleicht in den besseren auch so ein power multiplexer verbaut.