Theoretische Grundlagen Powerbank
Theoretische Grundlagen Powerbank
Wichtige elektrische Größen wie Spannung, Strom und Kapazität bestimmen die Leistungsfähigkeit der Powerbank. Die Gesamtkapazität ergibt sich aus der Summe der verwendeten Akkuzellen. Schutzschaltungen verhindern Überladung, Tiefentladung und Kurzschlüsse, um eine sichere Nutzung zu gewährleisten.
Aufbau einer Powerbank
Eine typische Powerbank besteht aus mehreren wichtigen Komponenten:
Akkuzellen (Energiespeicher)
Die Kernkomponente einer Powerbank ist der Akkuspeicher, der meist aus Lithium-Ionen (Li-Ion) oder Lithium-Polymer (Li-Po) Zellen besteht. Die Kapazität der Powerbank wird in Milliamperestunden (mAh) oder Wattstunden (Wh) angegeben.
- Serielle Verschaltung von Akkuzellen erhöht die Spannung.
- Parallele Verschaltung erhöht die Kapazität.
Lade- und Entladeschaltung
Diese Schaltungen sorgen dafür, dass die Akkus sicher geladen und entladen werden.
- Laderegler (Charge Controller): Steuert die Energiezufuhr zur Powerbank, um eine Überladung zu vermeiden.
- Spannungsregler (Boost-Converter): Erhöht die Spannung der Akkuzellen (z. B. 3,7V auf 5V für USB-Anschlüsse).
Schutzschaltungen
Um eine sichere Nutzung zu gewährleisten, enthalten moderne Powerbanks verschiedene Schutzmechanismen:- Überladungsschutz: Stoppt den Ladevorgang, sobald die Akkus vollständig geladen sind.
- Tiefentladeschutz: Verhindert, dass die Akkus unter eine kritische Spannung fallen, um Schäden zu vermeiden.
- Kurzschlussschutz: Unterbricht den Stromfluss bei einem Kurzschluss, um Brände oder Schäden zu verhindern.
- Temperaturüberwachung: Ein Mikrocontroller kann Sensoren nutzen, um eine Überhitzung zu verhindern.
Leistung und Kapazitätsberechnung
Kapazität und Umrechnung von mAh zu Wh
Die Kapazität einer Powerbank wird meist in mAh (Milliamperestunden) angegeben. Die tatsächlich nutzbare Kapazität hängt von der Spannung und der Umwandlungseffizienz ab.
Formel zur Umrechnung:
Beispiel: Eine Powerbank mit 10.000 mAh und 3,7V:
(10.000×3,7)/1000=37Wh
Da die meisten Powerbanks eine Ausgangsspannung von 5V bereitstellen, muss die Energie durch einen Boost-Converter umgewandelt werden, was Verluste verursacht. Der tatsächliche nutzbare Wert liegt je nach Effizienz bei ungefähr 85-95 % der angegebenen Kapazität.
Anzahl der Ladezyklen und Lebensdauer
Ein Ladezyklus entspricht einer vollständigen Entladung und Wiederaufladung. Li-Ion und Li-Po Akkus haben je nach Qualität und Nutzung 300 bis 1000 Ladezyklen, bevor sie an Kapazität verlieren.
Faktoren, die die Lebensdauer beeinflussen:
- Temperatur: Hohe Temperaturen verkürzen die Akkulebensdauer.
- Ladetiefe: Tiefe Entladungen verringern die Lebensdauer – ein Ladebereich von 20–80 % verlängert sie.
- Ladestrom: Schnelles Laden mit hoher Stromstärke erzeugt mehr Wärme und kann den Akku schneller altern lassen.
Energieeffizienz und Wirkungsgrad
Nicht die gesamte in einer Powerbank gespeicherte Energie kann zu 100 % genutzt werden, da es durch verschiedene Faktoren Energieverluste gibt:
- Wirkungsgrad des Akkus: Etwa 95 % der Energie bleibt erhalten.
- Boost-Converter Verluste: Wandlung von 3,7V auf 5V verursacht ca. 10-15 % Verluste.
- Wärmeentwicklung und Kabelverluste: Zusätzliche 5-10 % Verluste entstehen durch Widerstände in den Kabeln und den Anschlüssen.
Effektive Kapazität:
Eine 10.000 mAh Powerbank liefert bei 85 % Effizienz tatsächlich nur ca. 8.500 mAh nutzbare Energie.