Расчет реальной ёмкости внешней батареи и времени работы устройства.
Наиболее частый вопрос, с которым сталкиваются пользователи — сколько времени проработает то или иное устройство от внешней батареи? Хватит ли ёмкости и как подобрать нужную для питания и зарядки подключенного потребителя?
Что нужно знать перед покупкой и как правильно читать ёмкость. Без углубления в технические нюансы и максимально просто.
Устройство внешней батареи
Внешние батареи или PowerBank состоят в основном из платы управления и ячеек на основе лития. В зависимости от требуемых характеристик и назначения, это может быть одна или несколько ячеек, или целые сборки из десятков, а то и сотен ячеек.
Например, внешняя батарея на 10000mAh обычно собрана на основе 3-4 литий-ионных ячеек формата 18650, или 1-2 литий-полимерных ячеек. Благодаря особенностям производства, литий-полимерные ячейки можно изготовить практически любой формы и внешние батареи получаются легкими и компактными. В любом случае, пауэрбанк на 10000-15000mAh имеет один или несколько USB и рассчитан на зарядку мелких гаджетов — смартфонов, планшетов, наушников и т. д. Для зарядки и питания более мощных устройств, ячейки собираются в большие сборки и к плате добавляются различные разъемы.
Ячейки на основе лития производятся с разной емкостью и напряжением. Емкость в основном зависит от размера и типа ячейки. На данный момент наиболее распространенные — литий-полимерные (Li-Pol), литий-ионные (Li-Ion) и литий-железо-фосфатные (LiFePO4).
Из-за особенностей производства, напряжение у ячеек варьируется от 3.2V (LiFePO4) до 3.6-3.8V (Li-Ion, Li-Pol). Смартфон такими токами не зарядить, поэтому на плате управления есть преобразователь напряжения, с помощью которого USB порт выдает 5V, или 9-12V в случае с быстрой зарядкой. То же самое относится и к более мощным портам и разъёмам.
Например, Type-C для зарядки ноутбуков может выдавать до 20V, авторозетка или порт DC от 12V до 24V, а розетка переменного тока до 220-240V.
Ёмкость относительная
Что же такое ёмкость? Это количество энергии, которую может накопить аккумулятор или батарея при определенном напряжении, за определенное время. Измеряется в Ah (Ампер в час) или mAh (Миллиампер в час).
Например, если к ячейке емкостью 3000mAh с напряжением 3.7V, подключить устройство, которому для работы требуется напряжение 3.7V и сила тока 3000mA, то он теоретически проработает час. Но если подключить устройство с другими характеристиками, например, с другим напряжением или силой тока, то время работы изменится.
В отличие от «голых» ячеек, у внешних батарей с ёмкостью не все так просто. Ведь для питания и зарядки различных устройств требуется разное напряжение и сила тока. Плавающую емкость указывать некорректно, из-за чего производители и указывают номинальную ёмкость внешней батареи, т. е. суммарную емкость всех ячеек с постоянным напряжением. Например, 96000mAh при 3.2V, или 72000mAh при 3.7V.
Но такая ёмкость часто интерпретируется неправильно, потому что многие не замечают, что она указывается при определенном напряжении ячеек. То есть это величина относительная и привязана к напряжению.
Ёмкость абсолютная
Кроме емкости номинальной, есть ёмкость, описывающая возможности устройства максимально точно — Ватт-часы (Wh). Wh показывают, сколько часов проработает устройство мощностью 1W, или работающее при напряжении 1V и силе тока 1A. С помощью этой величины можно понять на сколько зарядок хватит внешнего аккумулятора, сколько часов проработает то или иное устройство, и сколько потребуется времени на зарядку внешнего аккумулятора.
Ватт-часы — это наиболее понятная и простая единица измерения для пользователя, которая показывает сколько мощности сохранено в аккумуляторе. Обычно ее указывают вместе с емкостью, но можно подсчитать самостоятельно, умножив напряжение ячеек (V) на суммарную емкость (Ah).
Wh = V × Ah
96Ah (или 96000mAh) × 3.2V = 307.2Wh
Зная ёмкость в Ватт-часах можно легко рассчитать приблизительное время работы внешней батареи с подключенным потребителем, или количество зарядок устройства. Достаточно просто поделить емкость внешнего аккумулятора на потребляемую мощность устройства (Wh/W=h).
Стоит отметить, что это только теоретические расчеты и на практике ёмкость может немного не соответствовать заявленной в пределах 5%, как в меньшую, так и в большую сторону. Связано это не только со сложностью при производстве ячеек, но и с потерями при преобразовании напряжения, работой контроллера, используемым кабелем и условиями эксплуатации. Обычно эффективность преобразования энергии внешних аккумуляторов около 92-96%. Поэтому порядка 5-6% можно списывать из расчетов.
Сколько потребляет устройство
На любом приборе есть шильдик или наклейка с техническими характеристиками, в которых указана потребляемая мощность в Ваттах (W). Если говорить о мобильных устройствах, таких как смартфон, планшет, ноутбук, фото и видео камера, то достаточно посмотреть ёмкость аккумулятора и умножить на его напряжение.
Например, ёмкость аккумулятора Apple iPhone 12 Pro 2815 mAh при напряжении 3.83V или 10.78Wh. Емкость аккумулятора Samsung Galaxy S21+ 4800 mAh при 3.88V или 18.62Wh.
Теперь, зная потребляемую мощность устройства, можно узнать сколько времени оно проработает от внешней батареи.
Примеры
Внешний аккумулятор TopON TOP-X100 на 96000 mAh при напряжении 3.2V (307Wh)
Внешний аккумулятор TopON TOP-X73 на 72000mAh при напряжении 3.7V (266Wh)
Автохолодильник AVS CC-19WBC в режиме охлаждения 66W
Время работы от TOP-X100 307Wh / 66W = 4.65h — 5% = 4.41h = 4h 24 min
Время работы от TOP-X73 266Wh / 66W = 4h — 5% = 3.8h = 3h 48 min
Навигатор Garmin GPSMAP 64s в режиме работы 1.2W (без аккумуляторов).
Время работы от TOP-X100 307Wh / 1.2W = 255.8h — 5% = 243h
Время работы от TOP-X73 266Wh / 1.2W = 221.6h — 5% = 210.5h = 210h 30 min
Ноутбук Apple MacBook Pro 13' (2020) с аккумулятором 5066 mAh * 11.41V (58Wh). Время работы до 20 часов от одного заряда согласно официальным данным. Потребляемая мощность 58Wh / 20h = 2.9W.
Время работы от TOP-X100 307Wh / 2.9W = 105.8h — 5% = ~100h
Время работы от TOP-X73 266Wh / 2.9W = 91.7h — 5% = ~87h
Ноутбук Apple MacBook Pro 16' (2019) с аккумулятором 8790 mAh * 11.36V (99.8Wh). Время работы до 11 часов от одного заряда согласно официальным данным. Потребляемая мощность 99.8Wh / 11h = 9W.
Время работы от TOP-X100 307Wh / 9W = 34.1h — 5% = ~32h
Время работы от TOP-X73 266Wh / 9W = 29.5h — 5% = ~28h
Планшет Apple iPad Pro 11' (2021) с аккумулятором 7538 mAh * 3.82V (28.65Wh). Время работы в режиме видео до 10 часов от одного заряда согласно официальным данным. Потребляемая мощность 28.65Wh / 10h = 2.86W.
Время работы от TOP-X100 307Wh / 2.86W = 107.3h — 5% = ~101h
Время работы от TOP-X73 266Wh / 2.86W = 93h — 5% = ~88h
Смартфон Apple iPhone 12 Pro с аккумулятором 2815 mAh * 3.83V (10.78Wh). Время работы в режиме видео до 17 часов от одного заряда согласно официальным данным. Потребляемая мощность 10.78Wh / 17h = 0.63W.
Время работы от TOP-X100 307Wh / 0.63W = 487.3h — 5% = ~462h
Время работы от TOP-X73 266Wh / 0.63W = 422.2h — 5% = ~401h
Планшет Samsung Galaxy Tab S7 FE 12.4» с аккумулятором 10090 mAh * 3.86V (38.95Wh). Время работы до 13 часов от одного заряда согласно официальным данным. Потребляемая мощность 38.95Wh / 13h = 2.9W.
Время работы от TOP-X100 307Wh / 2.9W = 105.8h — 5% = ~100h
Время работы от TOP-X73 266Wh / 2.9Wh = 91.7h — 5% = ~86h
Смартфон Samsung Galaxy S21+ с аккумулятором 4800 mAh * 3.88V (18.62Wh). Время работы до 24 часов от одного заряда согласно официальным данным. Потребляемая мощность 18.62Wh / 24h = 0.77W.
Время работы от TOP-X100 307Wh / 0.77W = 398.7h — 5% = ~378h
Время работы от TOP-X73 266Wh / 0.77W = 345.4h — 5% = ~328h
Совет
Чем сильнее разряжен аккумулятор, тем больше энергии потребуется для его зарядки. И если продолжать работать с устройством во время зарядки, то это существенно увеличит время зарядки и расход энергии внешнего аккумулятора. Поэтому наиболее эффективный вариант использования устройства с внешней батарей — либо заряжать устройство в выключенном состоянии, либо подключить внешнюю батарею к полностью заряженному устройству, чтобы минимизировать расход заряда внешней батареи.
Итог
Что бы рассчитать время работы устройства от внешней батареи достаточно знать каким запасом энергии обладает аккумулятор и сколько требует энергии устройство для работы или зарядки.
- Запас энергии в Ватт-часах — рассчитывается перемножением напряжения и суммарной емкости внешней батареи (Wh = V × mAh).
- Потребляемая мощность устройства (W) — указывается на самом устройстве или в паспорте / инструкции. Если это мобильное устройство со встроенным аккумулятором, то достаточно знать емкость аккумулятора (Wh) и время работы (h) (можно использовать официальные данные производителя или определить исходя из своих сценариев использования).
- Делим емкость на потребляемую мощность Wh / W = h.
- Отнимаем 5% на потери при преобразовании энергии.
- Помним, что это приблизительные расчеты для понимания. Кроме потерь при конвертации, есть еще факторы, которые могут повлиять на реальный расход энергии (среднее значение потребляемой мощности, настройки энергосбережения и условия эксплуатации) и время работы, как в большую, так и в меньшую сторону.
Автор статьи ADL (оригинал статьи)