Un Powerbank da 100W? /2

Le nuove batterie 21700 e il nuovo standard USB Type C cambieranno la storia? Seconda puntata.

Introduzione

Nella puntata precedente mi sono soffermato sulle applicazioni delle pile al litio 18650 e sulla loro evoluzione, le 21700. Oggi proviamo a progettare un Powerbank da 20.000 mA con i due modelli di pila per vedere come cambia il rendimento. Per semplificare, supponiamo che il powerbank sia formato da 6 celle in parallelo.

Dove trovare i dati

Ci appoggeremo al sito www.lygte-info.dk che è una vera miniera di dati sulle pile ricaricabili al litio, sia 18650 che 21700. Non so chi mantenga il sito, ma sono tantissime le celle testate nel corso degli anni, e vi si trova il test report per quasi tutte le celle disponibili sul mercato.

Primo caso: 6 pile 18650

Partiamo con le celle LG 18650 MH1 da 3200 mA. Queste celle sono interessanti perché sono state testate a novembre 2014, quindi non sono nuovissime, ma 4 anni non sono certo un’era geologica.

Inoltre c0n 3200 mA avevano al tempo, una ottima capacità (oggi le migliori arrivano a 3500 mA) e visto che 6 celle in parallelo fanno 19200 mA, sono un buon compromesso per costruire il nostro power bank.

6 celle x 3200 = 19200 mA

Se volessi estrarre 100W dalle celle? Supponendo una tensione di 3.6V, servono circa 28A, pertanto prendo la curva a 5A.

Ecco il grafico corrispondente a 0.2A (che usiamo come indicatore della tensione nominale) e 5A

Come si vede, anche con una scarica a 5A le celle sono in grado di erogare leggermente più di 3000 mA (ovvero 3.0 Ah).

Guardando la curva, stimo la tensione media erogata dalla cella mettendomi a metà della capacità erogata, ovvero a 1.50 Ah, e guardando la corrispondente tensione (3.4V)

Ora, data la tensione, quanti ampere servono per generare 100W?

100W / 3.6V = 29.41 A, ovvero 4.9 A per cella

Quindi la curva a 5 A è ragionevole.

Potenza dissipata (caso 18650)

Come faccio a sapere quanta potenza viene dissipata dalla resistenza interna delle celle? L’approssimazione più semplice è quella di guardare la differenza di tensione tra la curva a 0.2A e la curva a 5A. Guardando il grafico si vede che si tratta di circa 300 mV.

Pertanto posso supporre che la resistenza interna della cella si mangi circa 300 mV (il che corrisponde ad una resistenza interna di 60 milli Ohm

0.3 V / 5A = 0.060 Ohm

Se leggete i dati riportati sulla scheda del test, troverete una resistenza interna di 0.070 Ohm

Dato che in totale ci sono 29A, con 300 mV, fanno: 8.7W

Naturalmente questa è una approssimazione basata sulla tensione media, quindi anche sulla corrente media.

Se consideriamo la tensione iniziale di 3.9V otteniamo una corrente di:

100W / 3.9V = 25.6A -> 4.2 A per cella

Se invece considero la tensione finale di 3V, ottengo una corrente di

100W / 3.0V = 33.3 -> 5.5A per cella

Quindi visto che la corrente aumenta mano a mano che la cella si scarica, così anche la potenza dissipata e possiamo stimare considerando sempre 0.3V tra un valore minimo quando la cella è carica:

0.3V x 25.6 A = 7.7W

Ad un valore massimo, quando la cella è scarica di:

0.3V x 33.3A = 10W

Secondo caso: 6 pile 21700

In questo secondo caso proviamo a simulare un powerbank formato da 6 celle Samsung INR21700-30T, che seppure nominalmente hanno una capacità inferiore, in pratica erogano comunque 3 Ah quando vengono usate con un carico di 5A.

Nuovamente prendiamo un punto intermedio della curva, corrispondente a 1.50 Ah, e leggiamo la tensione corrispondente, che vale 3.6V.

Sulla base della tensione media, valutiamo la corrente media come:

100W / 3.6V = 28 A -> 4.66 A per cella

Ora valutando la differenza di tensione tra la curva a 0.2A e la curva a 5A, otteniamo una tensione di circa 100 mV.

Basta questo numero per capire che questo tipo di batterie ha una efficienza circa 3 volte superiore, dato che passiamo da 300 mV a 100 mV.

Potenza dissipata (caso 21700)

Se prendo la corrente media di 28A, una perdita di tensione di 100 mV ottengo una potenza dissipata di soli 2.8W

28A x 100 mV = 2.8W

Se considero la tensione iniziale di 4.1 V ottengo una corrente di:

100W / 4.1V = 24A -> 4 A per cella

Che corrisponde ad una potenza minima di 2.4W

Nel calcolo della potenza massima, corrispondente al caso in cui le celle sono scariche, vanno fatte alcune considerazioni.

Guardando la curva si vede come dopo aver erogato 2.75 Ah la curva della tensione abbia un crollo verticale. Pertanto prendiamo come riferimento una tensione 3.2V. Con questa tensione la corrente diventa:

100W / 3.2V = 31 A -> 5.2A per cella

La potenza dissipata in questo caso diventa 5.2W.

Analizzando Litonite Vulcan Plus

Non saprei dire per certo che Litonite Vulcan Plus sia costruito con celle 21700. Posso però dire che le dimensioni del powerbank (171 x 79 x 23 mm) sono compatibili, dato che lo spessore è di 23 mm, ovvero di soli 2 mm in più.

Anche la scelta delle 6 celle, mi sembra compatibile, se consideriamo una disposizione di 3 celle x 2. Infatti 3 celle affiancate occupano 21 x 3 = 63 mm, mentre la larghezza complessiva è di 79 mm.

Quanto alla lunghezza, due celle sono lunghe 2 x 70 mm ovvero 140mm, pertanto rimangono circa 30 mm per l’elettronica di controllo.

Inoltre il contenitore in alluminio e non in plastica mi fa pensare alla necessità di scaricare bene il calore.

Concludendo

Nella simulazione fatta solo le celle 21700 riescono a dissipare una potenza accettabile erogando 100W di potenza. Se consideriamo la potenza media, abbiamo solo 2.8W, che sono adatti a stare in tasca.

Se considero l’efficienza del sistema, ottengo 100W con 2.8W di perdita, si tratta di una efficienza del 97%.

Attendo i vostri commenti!

Autore: Gianbattista

Appassionato di tecnologia, è l'autore di Qt5 Quanto Basta. Per lavoro mi occupo di elaborazione delle immagini per applicazioni industriali.

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