Печать - Походный павербанк: 5 или 12 вольт?

Сравнение двух подходов к обеспечению электричеством в походе.

Все многообразие нынешних павербанков на литиевых аккумуляторах (а только их и можно уверенно называть «походными», поскольку остальные типы аккумуляторов условно пригодны для этой цели только в отдельных ситуациях, в первую очередь, из-за низкой плотности энергии на единицу массы) делится на два основных типа: «система 5 Вольт» и «система 12 вольт». Это самые распространенные варианты — исключения бывают, конечно, но редко.

5В систему часто называют «USB-павербанком» — поскольку, почти всегда, он на выходе выдает напряжение порта USB (5В), и на входе (для зарядки) использует те же самые 5В.

А 12В систему можно назвать «автомобильной»

— поскольку она максимально совместима со всем «зоопарком» устройств, использующих для питания автомобильный прикуриватель (или, например, 12В «свинцовый» аккумулятор где-нибудь на яхте :)

Какая из систем предпочтительнее для туриста? И вообще, какие плюсы и минусы есть у каждой из них?

Для начала кратенько про устройство этих павербанков.

Любой павербанк состоит из следующих ключевых элементов:

1. Собственно аккумулятор (или нескольких аккумуляторов, объединенных в т.н. «сборку»). Это самый главный элемент любого павербанка, собственно там запасается (и оттуда затем берется) энергия.

В 5В системах обычно это один аккумулятор (одна «банка») с номинальным напряжением 3.7В (реальное напряжение на Li-Ion/Li-Po аккумуляторе изменяется где-нибудь в дипазоне 2.7-4.2В). Несколько аккумуляторов могут быть соединены параллельно — тогда их емкости просто суммируются, т.е. такая сборка представляет собой фактически один аккумулятор большей емкости, но по прежнему с напряжением 3.7В.

В 12В системах используется сборка их 3-х последовательно соединенных аккумуляторов (изредка 4, но в основном все же 3). Это соответствует аккумулятору с номинальным напряжение 11.1В (реальное напряжение меняется в диапазоне примерно 8.1-12.6В).

Также в 12В системах довольно часто используется сборка из 4-х аккумуляторов типа LiFePo4 — это соответствует аккумулятору с реальным напряжением примерно 8-14.4В. Несмотря на то, что у LiFePo4 аккумуляторов где-то в 2 раза меньше удельная плотность энергии относительно Li-Ion/Li-Po (и они довольно дорогие при этом!), у них есть и свои плюсы — в частности, морозоустойчивость до -30 градусов, а также в несколько раз больший срок службы.

Собственно говоря, вот именно напряжением аккумуляторной сборки внутри павербанка и определяется его принадлежность либо к «системе 5В», либо к «системе 12В» :)

2. Контроллер заряда, который обеспечивает правильную зарядку аккумулятора. Литиевые аккумуляторы достаточно «капризны» в эксплуатации — их ни в коем случае нельзя перезаряжать (можно элементарно устроить пожар!) и переразряжать (сдохнет) вне допустимых значений. В зависимости от текущего состояния аккумулятора, контроллер заряда управляет величиной тока зарядки (вспомним про классические фазы зарядки: Pre-Charge, Constant Current, Constant Voltage).

Также весьма часто контроллер заряда содержит встроенный импульсный преобразователь напряжения, что позволяет ему использовать широкий диапазон входных напряжений.

Ну и для туриста, использующего «природные» источники энергии типа солнечных батарей, некоторые «продвинутые» контроллеры заряда также дают еще и функционал отслеживания точки максимальной мощности (MPPT — Maximum Power Point Tracker). В некоторых ситуациях это способно поднятьКПД использования солнечной батареи аж на 25-30% (в среднем выигрыш считается примерно 10% — но в условиях крайней ограниченности энергии это уже совсем немало).

3. Защита и балансировка. Аккумулятор (аккумуляторная сборка) в павербанке всегда надежно защищается от перезаряда, переразряда и короткого замыкания. Реализация защитной функции может быть самой разнообразной (в т.ч. плата защиты может стоять и внутри самого аккумулятора), а также эти функции могут иногда дублироваться (например, от перезаряда обычно страхует как собственно плата защиты, так и контроллер заряда). Главное, что так или иначе, защита присутствует всегда и непременно!

А для случая нескольких последовательно соединенных аккумуляторов (т.е. для 12В системы) также обязательно необходима еще и т.н. «балансировка» — выравнивание напряжений внутри аккумуляторов в сборке. Если этого не делать, то через некоторое количество циклов заряда-разряда аккумулятор сильно потеряет в емкости (просто какой-то из аккумуляторов в цепочке окажется уже полностью заряженным, тогда как остальные еще нет — а защита вынужденно отключит всю сборку).

4. Выходной импульсный преобразователь напряжения — преобразует текущее напряжение аккумулятора в нужное пользователю. В зависимости от ситуации, преобразователь либо повышает напряжение, либо понижает. Соответственно, например, если требуется выходное напряжение 5В (USB), то в 5В системе напряжение будет повышено с 3.7В до 5В, а в 12В системе — понижено с 11.1В до 5В.

Здесь нужно только помнить, что в среднем, при «прочих равных», понижающие преобразователи примерно на 10% эффективнее повышающих. Ну и также КПД обычно сильно зависит от кратности преобразования (во сколько раз изменяется напряжение между входом и выходом преобразователя) — и здесь тоже тенденция не в пользу повышающих. Иными словами, понизить напряжение с 12В до 3В обычно окажется существенно дешевле, нежели обратная операция (поднять с 3В до 12В).

Резюмируя внутреннюю начинку павербанка, главное различие между 5В и 12В системами (при одинаковой мощности) заключается в том, что внутри 12В используется в три раза большее напряжение (и, соответственно, в три раза меньшие токи). Отсюда, собственно, произрастают и все прочие плюсы и минусы каждой из систем…

Область применения:

Для 5В системы основная (и почти единственная) область применения — это питание USB устройств. Реально это очень распространенный частный случай, когда ничего кроме USB больше и не требуется. Тогда 5В система вполне неплоха. Но если вдруг потребовались напряжения, отличные от 5В (например, для зарядки фото/видео, спутниковых телефонов, раций и прочих устройств, где часто необходимо большее напряжение, не говоря уж о ноутбуках) — тогда с 5В системой будет не очень комфортно, мягко говоря :( Она либо вообще не сможет обеспечить требуемую мощность при нужном напряжении, либо будет делать это весьма неэффективно. В общем, «ну не приспособлены мы, кролики, для лазания по деревьям!» :)

С 12В системой здесь все намного проще. С питанием USB-устройств никаких проблем нет (и даже малость поэффективнее будет — вспомним о том, что понижающие преобразователи в среднем имеют больший КПД), а со всеми остальными — тоже (если в целом емкости аккумулятора хватит).

В общем, здесь однозначный лидер — 12В система! Она и напряжение USB обеспечивает чуть более эффективно (хотя здесь оно и близко по КПД), а уж про все остальное даже и говорить не приходится.

Общая эффективность и потери:

Здесь, пожалуй, тоже в плюсе будет 12В система. Вспомним формулу мощности в электрической цепи P = I2*R (мощность равна квадрату тока на сопротивление). Поскольку общее сопротивление в цепи у нас складывается как из полезной нагрузки, так и из паразитных сопротивлений на соединениях, контактах, проводах, управляющих цепях, и величина этого паразитного сопротивления будет примерно одинакова для обеих систем, то в целом потери в 12В системе окажутся меньше. Поскольку токи там в 3 раза меньше, а потребляемая мощность нелинейно (квадратично) зависит от силы тока.

Скорость зарядки:

Здесь я имею в виду «пропускную способность» входа павербанка (я уже об этом писал ранее). Т.е. в ситуации, когда под рукой оказался достаточно мощный источник энергии (мощная солнечная батарея, или розетка и есть блок питания, или, например, едешь в автомобиле и используешь его прикуриватель) и необходимо с его помощью максимально быстро наполнить павербанк энергией.

Теоретически, казалось бы, при одинаковой емкости аккумулятора (в ватт*часах) это должно бы быть одинаково. Но на практике обычно весьма редко делают малогабаритные контроллеры заряда, рассчитанные на токи более 5А (а чаще так и вообще все в пределах 2-3А). А при одном и том же токе, но напряжении в 3 раза большем, очевидно, энергии поступит тоже в 3 раза больше. Соответственно, 12В систему удастся в 3 раза быстрее зарядить.Системность:

Не знаю, как правильно это назвать… В данном случае я имею в виду индустриальную поддержку разными производителями той или иной системы. Тема довольно интересная сама по себе (и активно перекликается с областью применения павербанка). Главное, наверное, достоинство 12В системы именно в том, что она может напрямую использовать почти все многообразие устройств, созданных для автомобильной/яхтенной бортовой сети! Для любого, даже самого «закавыристого» и капризного девайса обязательно найдется своя автомобильная зарядка :) Не говоря уж об изобилии разного рода универсальных преобразователей напряжения, универсальных зарядниках и т.д. и т.п. И все это доступно и дешево, поскольку для нужд «автомира» производится огромными тиражами.

Об одном из них, кстати, я недавно писал: Универсальный зарядник B6S+ Mini. Одна только возможность его использования туристом поднимает в смысле «системности» 12В на недосягаемую высоту! :) А ведь это только одна из очень многих «вкусностей», связанных с 12В системой.

И, кстати, здесь важно еще понимать, что никакого дополнительного преобразователя напряжения, в данном случае, вовсе не требуется (а нет преобразования — нет и потерь на нем). Зарядник B6S+ Mini работоспособен до напряжения 10В на входе. Если посмотреть на график разряда 11.1В аккумулятора под нагрузкой, то увидим, что примерно 85% емкости аккумулятора приходится на напряжение выше 10В — т.е. аккумулятор способен отдать в этот зарядник почти всю свою емкость.

Ну и не надо забывать о том, что большинство выпускаемых в мире солнечных батарей рассчитаны именно на 12В систему — поэтому выбор здесь поистине огромный, на любой вкус, цвет и кошелек.

В общем, по параметру «системности» — жирный плюс к 12В системе.

Надежность:

А вот это, пожалуй, единственный из значимых параметров, где 5В система способна не только поспорить, но даже и превзойти 12В… Первый фактор здесь — уже само наличие в схеме управления павербанка системы балансировки. Как известно, нет человека — нет проблемы :) В данном случае, если в 5В системе нет некоторой функциональности — то с ней и не может возникнуть потенциальных неполадок :) Т.е. 12В система чуть сложнее устроена с точки зрения электроники, нежели 5В.

Еще при последовательном соединении аккумуляторов (в отличие от параллельного) весьма желательно, чтобы эти аккумуляторы были максимально близки друг к другу по своим характеристикам — т.е. перед объединением их в «сборку» их все необходимо предварительно протестировать и измерить реальную емкость. Тогда как при параллельном соединении вполне допускается сборка из аккумуляторов разной емкости, и даже от разных производителей.

Ну и последний штрих — если в последовательном соединении выходит из строя один из трех аккумуляторов, то неработоспособной становится вся сборка. Тогда как в параллельной сборке, теоретически, можно попробовать отыскать неисправный, удалить его, и продолжать пользоваться оставшимися (с уменьшенной общей емкостью). Возможность скорее именно теоретическая — мало кто в походных условиях, при отсутствии приборов и инструментов, будет с этим возиться, но все же…

Реально, я считаю, все эти проблемы откровенно «высосанными из пальца», бо сколько-нибудь нормальные аккумуляторы от «приличных» фирм не помирают неожиданной скоропостижной смертью по одиночке — он либо был изначально бракованный (что определяется на первом обязательном тестирование перед сборкой), либо же медленно и печально деградирует в компании с остальными собратьями. Но, для порядка и объективности, все же считаю нужным об этом упомянуть :)

Ну вот примерно и все основные плюсы и минусы каждой из систем… Лично я однозначно сделал свой выбор в пользу 12В системы — и пока еще ни разу об этом не пожалел! :)