Powerbank 18650
Inhaltsverzeichnis
Allgemeines
Um einen MiniPC netzunabhängig zu betreiben, habe ich mich mal auf die Suche nach einer günstigen Powerbank gemacht. Bei ebay habe ich dann das nachfolgend beschriebene Leergehäuse für 9€ aus China kommen lassen. Und dann noch 6 Stück 18650 Lion-Zellen (Stand 11/2020: Samsung 24€/30Q bzw. 28€/35E) dazu bestellt. Das ergibt eine Energie von 67Wh, bzw. 78Wh. Dies entspricht einem Preis von ca. 0,50€ pro WattStunde, bzw. knapp darunter. In Zukunft dient mir dieser Preis als Vergleich und die Faustformel "Wattstunden halbieren -> Euro" als schnelle Möglichkeit Akku-Produkte einzuordnen. Ein kurze Recherche zeigt jedoch schon, dass es noch billiger geht. Die Preise bei Lion-Akkus liegen bereits unter 10ct/Wh. (Quelle: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/534429/umfrage/weltweite-preise-fuer-lithium-ionen-akkus/)
Auf der Wiki-Seite zu Akkus habe ich mal Infos zusammengetragen, da mir immer noch eine günstige Pufferlösung für meine kleine Photovoltaik (PV)-Anlage in der Nase steckt.
Der Google-Übersetzer leistete wertvolle Arbeit. Die Angaben in Klammern sind ein alternativer Übersetzungsvorschlag des Google-Übersetzers. Die Übersetzung lässt zwar erahnen was gemeint sein könnte, aber richtig verlässlich sind einige Zusammenhänge nicht beschrieben. Daher habe ich mich auf den Weg gemacht, die Funktion des Batteriekastens durch Analyse seines Innenlebens besser nachvollziehen zu können. Weiterhin ist es, wie so oft in meinen Analysen, auch einfach nützlich für weitere (Eigen-)Entwicklungen und Umbauten (Funktionsanpassungen) eine Art Referenz, oder Basis zu erhalten, auf die ich aufbauen kann.
Übersetzung des Aufdrucks auf der Unterseite:
USB5V2A Ausgang 12V3-5A Ausgangsleistung 12V3-5A Ladeschalter
Aufladen der USV 12-13V Aufladen der USV 12-13V
6-Zellen-Batteriekasten Gebrauchsanweisung der Serie 3
1. Setzen Sie die passende 18650-Batterie in den Batterieschacht, die Feder ist für den Minuspol und das Seitenteil für den Pluspol.
2. Stellen Sie den Netzschalter auf ON und drücken Sie SW1 und SW2, um den Ausgang zu aktivieren.
3. Batterie: Der Rahmen und die Leiterplatte sind eng mit der Batterie verbunden und leuchten dann auf. (3. Der Akku wird aufgeladen und nach drei Aufklebern in den Akku gesteckt.)
4 OUTPUT hat die gleiche Funktion wie der INPUT-Port, beide mit USV-Funktion können geladen oder ausgegeben werden, der rote Netzschalter ist eingeschaltet, Parameter: Eingangsbereich 12-13V, interne Ladestromgrenze 0,5A. Wenn er ausgibt 12V3-5A, die Lade-CHR leuchtet rot und wenn sie aufgeladen wird , erlischt sie.
5. Wenn die USV-Funktion aktiviert ist, muss die Stromversorgung des Eingangsadapters auf die negative Leistung + 6 Yuan gelöscht werden. (5. Wenn die USV-Funktion Aktiviert ist, reicht die Eingangsleistung des Adapters aus, um die Hauptlast mit 3 W einzuschalten.)
6. Kapazität <= 3,7 V * 3400 mAh * 6 = 75 Wh.
7. Entwickelt und hergestellt von Guangzhou Jason Energy Technology Co., Ltd., 020-33312722
Angaben des Verkäufers
Description:
Features: The first time you need to install the 18650 flat head battery,then press the button on the back of the circuit board to activate the use of this product. 5.5x2.1mm port output is DC 12V,Suitable for wifi Router LED Strip Security Camera and more. As USB mobile charger for cellphone tablet and more devices,with DC adapter,easy to use. With overcharge, overdischarge, overload, short circuit and other protection.
Specifications:
- Item Type: 18650 Li-ion Battery Charger Box
- Material: metal
- Color: Back
- Size: 9.5x12.5x2.7cm
- input: DC 12V-13V
- 5.5x2.1mm port output: DC 12V 3-5A
- USB Output: 5V 2A
Package includes:
- 1 X DIY Power Bank Box(18650 batteries are not included)
- 1 X DC adapter
Bedienungsanleitung
Aus den Angaben auf dem Gehäuse (s.o.) dem Aufdruck auf der PCB-Oberseite und den Daten der verbauten Elektronik (s.u) wird die Bedienung der Powerbank deutlicher.
Einlegen der Akkus
Ich empfehle dringend nur Zellen gleichen Herstellers und Typs einzusetzen. Zusätzlich sollte natürlich darauf geachtet werden, dass die Akkus den gleichen Ladungszustand haben. Das gilt zumindest für die jeweils 2 Zellen der 3 Paare. Da es sich im Powerpack um eine 3S2P (3Serie2Parallel) Schaltung handelt, ergibt die Nennspannung zu 11,1V und die Kapazität zu 6000mAh (30Q) bzw. 7000mAh (35E). Die Forderung nach gleichen Zellen begründet sich schon bei den beiden hier eingesetzten Akkutypen, die bis auf die kleine Zusatzbezeichnung (30Q/35E) äußerlich gleich zu sein scheinen. Ein Blick in die Datenblätter offenbart die Unterschiede und da hat die unterschiedliche nominelle Kapazität nur eine untergeordnete Bedeutung. (TODO:Datensteckbriefe) Um den evtl. hohen Ausgleichsstrom beim Einlegen zu reduzieren, kann man mit einem Widerstand, Minuspole der Akkus verbinden und mit dem Widerstand die Pluspole verbinden, für einen Angleich sorgen. Wenn man von einer Spannung einer Zelle irgendwo zwischen 2,7 und 4,2 Volt ausgeht, hängt der zu wählende Widerstandswert im Wesentlichen von seiner Leistung ab. Übliche Axialwiderstände haben je nach Typ 1/16 Watt bis 1 Watt. Bei einer maximalen Spannungsdifferenz von 1,5 V 'verträgt' ein 1/16W-Widerstand nur 42mA. Der Widerstandswert zum Ausgleich sollte somit nicht weniger als 36 Ohm betragen. Ich habe bewusst mal den Widerstand mit der kleinsten Leistung überschlagen. Dann ist die Gefahr einer Verbrennung, oder sogar eines Minifeuers mit Rauchentwicklung am kleinsten! Also bitte nur nachmachen, wenn der vorbeschriebene Rechenweg nachvollzogen werden konnte.
Aktivieren der Powerbank
Zum Aktiviren reicht es aus die beiden Taster auf dem Board zu drücken. Bei mir genügte erstaunlicherweise die Betätigung des Tasters 1. Zur Sicherheit habe ich den Taster 2 zusätzlich betätigt. Die Aktivierung signalisiert die Powerbank mit dem (blauen) Aufleuchten, je nach Ladezustand der Akkus, der beiden Dioden D4 und D8 (ganz links und ganz rechts). Wobei man feststellen muss, dass solange die Akkus sich im normalen Spannungsfenster befinden D8 (1 Ladebalken = (near) EMPTY)) immer leuchtet, sobald er Schalter (ON/OFF) auf ON (links) steht. Die Bezeichnung der Diode D4 (FUL) kann ich noch nicht richtig deuten. Die FULL Anzeige (D4) hat bei mir bei der Auslieferungsspannung von (3x3,45V) geleuchtet.
Laden
Zum Anschluss wird ein Hohlstecker (5,5 mm / 2,1 mm) benötigt. Beide Anschlüsse sind zum Entladen nutzbar. Wie man aus dem Schaltplan ersehen kann ist der einzige Unterschied, dass eine Hohlbuchse geschaltet ist. Deshalb liegt es nahe die mit INPUT bezeichnete Buchse als Ladebuchse und die mit OUTPUT bezeichnete Buchse als Ausgang (ON/OFF-Schalter) zu benutzen. Da die maximale Betriebsspannung des DW01B/HY2120 bei 10V liegt könnte die Ladespannung sogar minimal über (Spanungsfall Shottky) 20V betragen. Ausreizen würde ich die Grenze aber nicht ohne Not. Wichtiger ist die minimale Ladespannung. Die 3S Beschaltung legt eine Ladespannung von 12,6 V nahe. Plus die Spanungsfälle über die Shottky und den Widerstand. Das Datenblatt empfiehlt einen Ladestrom mit 0,5C also ca. 1500-1700 mA. Da es einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen der Höhe des Ladestroms und der Lebensdauer (Anzahl der Lade-/Entladeezyklen ohne dramatischen Kapazitätsverlust) gibt, sollte man den Ladestrom begrenzen. Zumal im USV-Betrieb die Ladezeit von untergeordneter Bedeutung ist würde eine Reduzierung auf 1000 mA die Standardladezeit von 4 auf ca. 7 Stunden ansteigen lassen. Der Spannungsfall über den 0,2 Ohm Widerstand (R12) wäre in diesem Fall mit dem Spannungsfall über die Shottky-Diode (D3) nicht ganz 0,5 V, so dass geschickterweise die Ladespannung bei 13,0V liegen sollte. Wenn das Ladenetzteil genügend Leistung besitzt ist natürlich auch ein Parallelbetrieb als USV möglich.
Entladen
PCB beschriftet
Schaltung
An den Z-Dioden Q1 und U3 ergibt sich eine Referenzspannung von 2,476V. Dieser Referenzwert dient den Operationsverstärkern als Vergleichswert für die Schaltschwellen. Für die Schaltschwelle der "Half"-Diode ergibt sich bei einer Ausgangsspannung von 10,57V und für Full 11,73V. Das muss ich aber noch kontrollieren. Bei der Ladeschlussspannung wären am Ausgang 12,6V und bei der Entladeschlussspannung 7,95V.
In der Schaltplanskizze habe ich den 5V Stepdown-Wandler weggelassen. Es ist ein ganz "normaler" LM2596 der an den geschalteten Ausgang angeschlossen ist und am USB-Port 5V 3A zur Verfügung stellt.
Inbetriebnahme
SAMSUNG INR 18650 35E
Kapazität: 3500mAh Anzahl: 1 Stück Endladestrom: 8A Baugröße: 18650 Pluspol: flach Schutzelektronik: ohne Kurzinfo Lithium-Ionen Akkus sind thermisch stabil und unterliegen keinem Memory-Effekt. Sie arbeiten auf der Basis von Lithium und zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus. Einsatzgebiet Einsatzgebiete: E-Zigaretten, Golfakkus, Akkupacks Werkzeug, Elektro-Scooter, Elektro-Moped, Elektro-Fahrrad, E-Bike, etc. Modellnummer INR18650-35E Baugröße 18650 Kapazität 3500mAh (min. 3350mAh) Länge ca. 65,25mm Durchmesser ca. 18,55mm Gewicht ca. 48g je Akku Chemische Zusammensetzung LiNiMnCoO2 Spannung 3,6 - 3,7V Ladeschlussspannung 4,2V +/- 0,05V Entladeschlussspannung 2,65V Ladestrom 0,6C 2000mA Max. Ladestrom Entladestrom 8A Max. Entladestrom 13A Pluspol flach(Flat Top) Ladeverfahren CC-CV Schutzschaltung Nein Ladestrom / Ladedauer Max. Ladestrom / Ladedauer Betriebstemperatur Laden Betriebstemperatur Entladen
SAMSUNG INR 18650 30Q
Kapazität: 3000mAh Anzahl: 1 Stück Endladestrom: 15A Baugröße: 18650 Pluspol: flach Schutzelektronik: ohne Kurzinfo Lithium-Ionen Akkus sind thermisch stabil und unterliegen keinem Memory-Effekt. Sie arbeiten auf der Basis von Lithium und zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus. Einsatzgebiet Einsatzgebiete: E-Zigaretten, Golfakkus, Akkupacks Werkzeug, Elektro-Scooter, Elektro-Moped, Elektro-Fahrrad, E-Bike, etc. Modellnummer INR18650-30Q Baugröße 18650 Kapazität 3000mAh (min. 2900mAh) Länge ca. 64,85mm Durchmesser ca. 18,33mm Gewicht ca. 48g je Akku Chemische Zusammensetzung LiNiMnCoO2 Spannung 3,6 - 3,7V Ladeschlussspannung 4,2V +/- 0,05V Entladeschlussspannung 2,5V Ladestrom Max. Ladestrom Entladestrom Max. Entladestrom(<1 Sek) 15A Pluspol flach(Flat Top) Ladeverfahren CC-CV Schutzschaltung Nein Ladestrom / Ladedauer 1500mAh/3,5h Max. Ladestrom / Ladedauer 3000mAh/2,6h Betriebstemperatur Laden 0 °C - 45 °C Betriebstemperatur Entladen -20 °C - 60 °C
Durch die Shottky-Diode D3 fallen 0,273V ab. Bei Erhalt hatten die Lions je 3,45V.
Am Ausgang J1 oder J2 lagen 10,07 V an.
Die Lastmessungen stehen noch aus.
Lade-/Entladezyklus
Die Batterie-Schutzschaltung im Wesentlich bestimmt duch DW01B und HY2120 legt folgende Eckdaten fest:
| Electrical Characteristics | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Supply Voltage | VCC | --- | 1.5 | --- | 9.0 | V |
| Supply Current | ICC | VCC =3.5V | 2.0 | 6.0 | μA | |
| Overcharge Protection Voltage | VOCP | --- | 4.25 | 4.30 | 4.35 | V |
| Overcharge Release Voltage | VOCR | --- | 4.05 | 4.10 | 4.15 | V |
| Over-discharge Protection Voltage | VODP | --- | 2.425 | 2.50 | 2.575 | V |
| Over-discharge Release Voltage | VODR | --- | 2.825 | 2.90 | 2.975 | V |
| Over current Protection Voltage | VOI1 | --- | 0.13 | 0.15 | 0.17 | V |
| Short circuitProtection Voltage | VOI2 | VCC=3.6V | 0.82 | 1.36 | 1.75 | V |
| Over current Reset Resistance | RSHORT | VCC=3.6V | 50 | 100 | 150 | ㏀ |
| Charger Detection Threshold Voltage | VCH | --- | -0.8 | -0.5 | -0.2 | V |
| Overcharge Delay Time | TOC | VDD=3.6V~4.4V | --- | 80 | 200 | ms |
| Over-discharge Delay Time | TOD | VDD=3.6V~2.0V | --- | 40 | 120 | ms |
| Overcurrent Delay Time (1) | TOI1 | VCC=3.6V | 5 | 10 | 20 | ms |
| Overcurrent Delay Time (2) | TOI2 | VCC=3.6V | --- | 50 | 120 | ms |
| OD Pin Output “H” Voltage | VOH1 | --- | VCC-0.1 | VCC-0.02 | V | |
| OD Pin Output “L” Voltage | VOL | --- | 0.1 | 0.5 | V | |
| OC Pin Output “H” Voltage | VOH2 | --- | VCC-0.1 | VCC-0.02 | V | |
| OC Pin Output “L” Voltage | VOL2 | --- | 0.1 | 0.5 | V | |
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