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Paquetes de baterías USB-C: comprensión de los conceptos básicos de la energía de la batería

Cómo hacerlo Si no está familiarizado con los conceptos básicos de energía, aquí hay algunos. Colaborador sénior, Tabletas 14 de septiembre de 2016 8:00 p.m. PDT

Nota del editor: este artículo es parte de nuestro resumen de paquetes de baterías USB-C.



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La forma más sencilla de analizar la energía eléctrica es en unidades de voltios (V), corriente medida en amperios o amperios (A) y vatios (W). (La corriente se suele abreviar como I, originalmente para amperaje ; Utilizo A en todas partes como abreviatura de amplificadores para mayor coherencia, ya que esa es la letra que se usa en la documentación y el etiquetado de todas las baterías revisadas).

Los voltios, amperios y vatios se pueden comparar con las tuberías de agua y el flujo de agua. El voltaje es la presión o la cantidad de agua que pasa por un espacio dado; el amperaje es el diámetro de la tubería, que influye en la presión. El amperaje bajo (una tubería de diámetro pequeño) requiere un voltaje alto (mucha presión) para mover la misma cantidad de energía que el amperaje alto (tubería de diámetro grande) con presión baja (voltaje bajo). La potencia es el producto de amperios y voltios, y describe la cantidad total de agua que sale del extremo de la tubería: la energía (o trabajo) que pasa a través del sistema.





Ahora, con baterías y paquetes de baterías, queremos describir cuánto capacidad tienen: cuánta energía pueden almacenar y luego proporcionar a otro hardware. Eso se mide en miliamperios-hora, abreviado mAh, que probablemente haya visto repetidamente y quizás se haya preguntado exactamente qué significaba.

Los miliamperios-hora pueden ser confusos porque no son significativos de forma aislada, aunque a menudo se usan de esa manera. Tiene que ser emparejado con un Voltaje : mAh a un V determinado. Las baterías que se utilizan en los paquetes de energía normalmente se descargan (proporcionan potencia de salida) a aproximadamente 3,6 V o 3,7 V y se recargan a 4,2 V. (Las celdas de iones de litio, utilizadas para todos los paquetes que probé, se cargan mejor a esa velocidad).



Cuando ve que una batería tiene 10,000 mAh, hay 10,000 mAh disponibles a 3.6V o 3.7V . Los teléfonos inteligentes y tabletas usan baterías con aproximadamente el mismo voltaje, alrededor de 3.8V nominales cuando se descargan y alrededor de 4.3 o 4.4V cuando se cargan. Es una diferencia tan pequeña que se pierde en el redondeo.

¿Qué pasa con los vatios-hora?

A menudo, es más fácil hacer referencia a los vatios-hora (Wh) de una unidad de batería, que estaba impresa en cada paquete de batería que probé, debido a las regulaciones para llevar baterías externas a los aviones en los EE. UU. Y en otros lugares. A veces tiene un tipo de letra tan pequeño y, a veces, serigrafiado con tinta negra sobre un fondo negro, que es posible que necesite una linterna y una lupa para encontrarlo.

Un iPhone 6s tiene aproximadamente una batería de 6.5Wh (1.715 mAh), por lo que es de esperar que una batería de 36Wh (10,000 mAh) pueda recargarlo 5.5 veces. Un iPad Air tiene una batería de 32,5 Wh (7,340 mAh), mientras que el iPad Pro de 12,9 pulgadas tiene la friolera de 38,5 Wh (10,307 mAh); La batería de la MacBook funciona a 7,55 V, por lo que la capacidad de 41,5 Wh se reduce a unos 5.500 mAh. Entonces, pensaría que tal vez una carga completa, más o menos, por cada uno de esos.

¡Pero eso omite otros cuatro factores que le impiden obtener una eficiencia del 100 por ciento! Tengan paciencia conmigo:

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  • Se produce una pérdida de energía durante la conversión de voltaje de la batería a USB y viceversa; siempre hay alguna pérdida dependiendo de la calidad y eficiencia de los circuitos. Es por eso que siente calor cuando las baterías se cargan o descargan, ya que el calor es energía desperdiciada.

  • Las baterías de iones de litio no se pueden reducir al cero por ciento. Como dijo un portavoz de Anker de sus ingenieros, si la energía de la batería se descarga a cero, afectará negativamente la durabilidad de la celda de la batería. Entonces, incluso cuando aparentemente se agota una batería USB, su circuito evita que se agote. En algunas de mis pruebas, las baterías claramente no bajan del 5 al 10 por ciento, reservando un porcentaje significativo para un margen de seguridad.

  • Los paquetes USB agotados pueden cargarse rápidamente al principio, pero a medida que las baterías se llenan, se ralentizan y se detienen antes del 100 por ciento, a veces muy poco en mis pruebas. Las baterías de iones de litio tienen riesgo de expansión o incluso de incendio si se sobrecargan o se cargan demasiado cerca de llenarse demasiado rápido. (Para referencia, vea todos los videos de hoverboard fire de este último otoño).

  • Las baterías de iones de litio también se degradan con el tiempo y ya no pueden mantener una carga completa, aunque la capacidad debería permanecer bastante buena durante algún tiempo. La batería interna de mi MacBook ahora se carga solo entre el 85 y el 90 por ciento de su capacidad con solo 16 meses de vida con 100 ciclos de carga, y lo he tenido en cuenta en los resultados de las pruebas. Me preocupa cómo funciona después de otros 100.

¿Para resumir? Las baterías pierden energía en la conversión, no se pueden descargar por completo, no siempre se pueden llenar por completo y pierden capacidad con el tiempo.

También vale la pena señalar que los LED en los paquetes de baterías se redondean al siguiente conjunto de unidades mientras muestran la capacidad disponible: en un paquete con cuatro LED, los cuatro se encienden cuando las celdas internas suman entre el 75 y el 100 por ciento, no solo cuando está cerca. lleno. Con ocho LED, como el Anker, eso es aproximadamente el 87,5 por ciento. Sin embargo, cuando está cargando, la documentación de la mayoría de los paquetes dice que el LED final permanece parpadeando hasta que alcanza la carga más alta que puede tomar. (Algunos paquetes en el mercado que carecen de puertos USB-C incluyen una pequeña pantalla con el porcentaje de carga exacto, algo que espero que veamos más como una característica competitiva).

En mis pruebas, vi una variación bastante amplia de alrededor del 55 por ciento al 80 por ciento de la capacidad declarada que terminaba pasando a una MacBook. Con baterías de mayor capacidad, eso fue suficiente para cargar la mayoría o completamente una MacBook, a veces con energía sobrante. La diferencia de precio puede ser enorme: una batería más pesada, más grande y menos eficiente puede costar mucho menos que una más pequeña y eficiente, pero ofrece la misma cantidad efectiva de carga.

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Velocidad

Otro factor que influye en el poder es la velocidad. En este caso, eso está directamente relacionado con el voltaje y el amperaje. Todas las baterías que probé, excepto la MOS Go, usaban 5V a través de USB-C, y las mejores de ellas podían usar corriente de hasta 3A para una salida de 15W. Cuanto mayor sea el vataje, más rápido se mueve la potencia. Los dispositivos con baterías más grandes, como tabletas o estos grandes paquetes de baterías USB, necesitan cargadores de alto amperaje o alto voltaje para recargarlos en un período de tiempo razonable. También necesita una alta potencia para cargar un dispositivo más rápido de lo que se está agotando si está en uso mientras se carga.

Originalmente, la mayoría de los paquetes USB tenían puertos que podían pasar energía a aproximadamente 1 A, lo suficientemente rápido como para cargar un teléfono inteligente a toda velocidad. Pero los modelos de iPad Air 2 y iPad Pro pueden cargarse a 2.4A (y las unidades Pro incluso más rápido con un adaptador de voltaje más alto), y los iPhones se cargan bien a 1A, pero los modelos de los últimos años pueden subir hasta 2.1A con el cargador apropiado.

No se puede sobrecargar un dispositivo con ningún equipo bien hecho y no vi ningún problema con ninguna de las baterías que probé. Apple y otros fabricantes diseñan su hardware para aceptar solo una combinación de voltaje y amperaje hasta un nivel máximo utilizable. Los puertos de los paquetes USB parecen predeterminados 1A o menos si no pueden solucionar esto con un dispositivo adjunto.

Los paquetes modernos suelen tener puertos que se pueden clasificar en 2.0A, 2.1A o 2.4A; la mayoría de los paquetes probados tienen al menos un puerto tipo A 2.4A y un puerto USB-C 3A o mejor. Los puertos tipo A a veces se etiquetan como inteligentes, IQ o iSmart. Hay un valor atípico: mientras que el MOS Go puede entregar 5V a 3A o 14.5V a 2A a través de su puerto USB-C, pero solo 1A a través de su puerto Tipo-A.

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Más rápido solo funciona hasta cierto punto: para mantener su vida útil prolongada, las baterías solo deben cargarse entre una relación de 0,50 y 1,00 de amperaje a capacidad, que se denomina clasificación C. Un iPhone con una batería de 1.715 mAh que se carga a 1A tiene una clasificación de 0.58C, considerada suave y que maximiza los ciclos sin degradar la batería. Cárguela a 2,1 A y estará muy por encima de 1 C, lo que puede reducir la vida útil de la batería al mantener su carga máxima.

Los paquetes de alimentación USB que probé se cargan principalmente entre 0,15 C y 0,30 C; En la mayoría de los casos, un voltaje más alto, no un amperaje, impulsa una carga más rápida, como ocurre con PD 2.0 y QC2.0 / 3.0, manteniendo la clasificación C más baja. (El TouchJuice era un minúsculo 0.03C, que discutiré en su revisión individual). Los paquetes futuros podrían funcionar con cables y adaptadores de mayor potencia para tasas de recarga más rápidas.

Las baterías también están clasificadas para una cierta cantidad de ciclos de cargas completas, generalmente en cientos, pero pueden ser miles. Cuanto menor sea la calificación C, más ciclos obtendrá. Y un ciclo generalmente cuenta como 100 por ciento: agotar al 50 por ciento y cargar al 100 por ciento dos veces, y eso es un solo ciclo, no dos.

Producción

Finalmente (¡vaya!) Cada paquete de baterías tiene una salida máxima combinada en todos los puertos. El circuito eléctrico interno divide la carga por puerto, pero tampoco puede exceder ese total cuando se carga a través de varios puertos a la vez, como varios iPads y iPhones. Por ejemplo, el Anker PowerCore + 20100 puede generar 2,4 A en sus dos puertos tipo A y 3 A en sus puertos USB-C. Sin embargo, con los tres puertos en uso, alcanza un máximo de 6 A, con no más de 2,4 A para cualquier puerto. No todos los fabricantes de baterías proporcionaron el rendimiento máximo total; Lo señalaré en las reseñas según esté disponible.

Cada paquete que probé tenía un conjunto diferente de puertos. Los paquetes de alrededor de 10,000 mAh generalmente tienen solo dos puertos; los que tienen 15.000 mAh o más tienen tres y, a veces, cuatro, ¡incluso cinco! También analizaré cada disposición de puerto en revisiones individuales.

Quizás se pregunte cuál es la cantidad máxima de energía factible para empacar en un paquete. Con PD 2.0, los fabricantes de baterías pueden empujar esto mucho más alto que los 12,000 mAh del MOS Go. Posiblemente, un paquete con casi 100 Wh y más de dos cargas completas de MacBook podría ser liviano y no tener un precio escandaloso, pero puede que no haya suficiente audiencia de poder extendido para disfrutar del gusto.

La FAA impone un límite superior práctico a los paquetes de baterías externas: deben estar en el equipaje de mano, aunque no hay límite de hasta 100 Wh en la cantidad que lleva. De 101 a 160 Wh, hay un límite de dos por pasajero.