Power Banks sind eine tolle Erfindung. Nicht nur unsere hochgezüchteten Smartphones brauchen immer dann eine Nachladung, wenn keine Steckdose in der Nähe ist. Auch Kameras, GPS-Logger und Smartwatches kann man damit ortsunabhängig laden. Das Hauptkriterium beim Kauf dürfte für die meisten die Kapazität in Milliamperestunden (mAh) sein. Warum dieser Wert aber eher theoretischer Natur ist, erkläre ich in meinem Beitrag.

Power Banks entwickelten sich in den letzten Monaten zum absoluten Verkaufsschlager, woran das Spiel „Pokemon Go“ schuld war, denn es zog mächtig am Smartphone-Akku. Viele rechnen daher ganz einfach mit der vom Hersteller angegebenen Kapazität der Power Bank z. B. 10.000 mAh, teilen diese durch die Akkukapazität ihres Smartphones, sagen wir mal 2000 mAh und kommen dann darauf, dass man das Smartphone 5 mal komplett aufladen könnte. Leider werden in der Praxis aber oft nur maximal 3 Ladungen daraus. Was ist passiert?

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Aufbau einer Power Bank

Eine Powerbank besteht aus einzelnen Lithium-Ionen-Zellen oder Li-Ion Packages in einer Sonderform. Diese Zellen haben eine Nennspannung von 3,7 Volt. Um auf die notwendigen 5 Volt am USB-Anschluss zu kommen, werden diese 3,7 Volt mit einem sogenannten Step-Up Wandler auf 5 Volt hochtransformiert. Diese Wandler sind zwar recht effektiv, arbeiten aber nicht verlustfrei. Der Wirkungsgrad liegt typisch bei etwa 80-90%. Je höher der entnommene Strom ist, desto geringer ist auch der Wirkungsgrad.

geöffnete Powerbank mit einem Lithium-Ionen Package (schwarz) und der Elektronik rechts

geöffnete, sehr flache Powerbank mit einem Lithium-Polymer Package (schwarz) statt der 18650 Zellen und der Elektronik rechts. Die beiden USB-Buchsen sind rechts deutlich zu erkennen.

Wir kommt man auf eine Kapazität von z. B. 10.000 mAh? Entweder sind Li-Ion Akkus in einer Form im Einsatz, wie sie heute auch in Smartphones und flachen Notebooks verbaut werden, dann kann eine einzige Zelle die gewünschte Kapazität liefern. Meisten sind es aber mehrere Zellen vom Typ 18650 die parallel geschaltet werden. Bei der Parallelschaltung mehrerer Spannungsquellen steigt der Strom, die man ihnen entnehmen kann. Die Spannung des gesamten Systems bleibt aber gleich der Spannung einer einzelnen Zelle. In den 10.000 mAh Power Banks findet man so häufig 4 Zellen mit jeweils 2500 mAh und kommt damit auf theoretische 10.000 mAh.

Aufdruck und Wirklichkeit – mal nüchtern gerechnet

Die Kapazitätsangabe in mAh bezieht sich daher auf die eingebauten Zellen und die liefern nur 3,7 Volt statt der notwendigen 5 Volt. Bevor wir weiterrechnen, klären wir erst einmal was Milliamperestunden und Amperestunden bedeuten: Milli bedeutet „Tausend“. Eine Amperestunde sind gleich 1000 Milliamperestunden. Wenn ich einer Stromquelle eine Stunde lang 1 Ampere Strom entnehmen kann, hat sie eine Kapazität von 1 Amperestunde oder 1000 Milliamperestunden. Entnehme ich der gleiche Stromquelle jedoch nur ein Zehntel des Stroms, also 0,1 Ampere oder 100 Milliampere, kann ich das hingegen 10 Stunden lang tun. Auch dann habe ich 1 Amperestunde entnommen. Da es sich mit Amperestunden übersichtlicher rechnet, bleiben wir vorerst dabei und rechnen statt mit 10.000 mAh mit 10 Ah.

Powerbanks

Power Banks mit Kapazitäten zwischen 6000 und 20.500 mAh sowie die 18650 Li-Ionen Zelle, die in den meisten Power Banks zu finden ist.

Eine Powerbank mit 10 Ah bezieht diese Kapazität auf die 3,7 Volt der einzelnen Zelle. Diese rechnen wir einmal in die Energiemenge mit der Einheit Wattstunden um, da wir nur so die Kapazität bei unterschiedlichen Spannungen berechnen können:

10 Ah * 3,7 Volt = 37 Wattstunden

Mit diesem Wert können wir nun die Wattstunden bei 5 Volt, der Spannung am USB-Anschluss, umrechnen:

37 Wattstunden / 5V = 7,4 Amperestunden

Leider sind haben wir schon wieder eine Einschränkung, denn die aufgedruckte Kapazität der Akkus wird in der Praxis nach einigen Ladungen tatsächlich nur zu etwa 90% erreicht. Auch nutzen die meisten Ladecontroller aus Sicherheitsgründen nicht die maximal mögliche Kapazität des Akkus. Also müssen wir unserer Rechnung noch einmal mit 90% von 10Ah, also nur 9 Ah machen:

9 Ah * 3,7 Volt = 33,3 Wattstunden

33,3 Wh / 5 V = 6,66 Amperestunden

Am 5 Volt Ausgang unserer Power Bank kann man also keine 10 Ah sondern nur 6,66 Ah entnehmen, das sind 33,4 Prozent weniger als angegeben! Okay, damit kann man leben. Leider sind wir hier aber noch immer bei einem theoretischen Wert, denn wir haben noch nicht die Wandlungsverluste durch den Step-Up Wandler berücksichtigt. Wir nehmen einmal sehr optimistische 95% Wirkungsgrad an, also müssen wir noch einmal 5% abziehen:

6,66 Amperestunden/100 * 95 = 6,32 Amperestunden = 6300 mAh

Unsere tolle 10.000 mAh Power Bank liefert tatsächlich nur 6300 mAh die wir zum Laden unserer Geräte nutzen können, also rund 37 Prozent weniger als vermutet.

In der Praxis

Möchte man also wissen, wie oft man z. B. sein Smartphone aufladen kann, sollte man von der angegebenen Kapazität der Powerbank etwa 30-40 Prozent abziehen und damit rechnen. Unser Smartphone mit 2.000 mAh Akku (auch hier erreicht der Akku aber auch nicht die theoretische Kapazität), kann man also effektiv 3 mal mit der 10.000 mAh Power Bank laden.

Ich habe eine Power Bank mit 20.500 mAh einmal gemessen und komme auf tatsächliche 13.400 mAh bei 1 Ampere Last. Hier haben wir 35 Prozent weniger Kapazität, als die Herstellerangabe vermuten lässt. Die Rechnung deckt sich also sehr gut mit den Messungen, die ich mit verschiedenen Power Banks von 6000 – 20.500 mAh gemacht habe.

Jackery-Akku-Power-Bank

Die Hersteller trifft hier aber keine Schuld, denn sie geben die Kapazität der verbauten Akkus an. Was sollten sie auch sonst tun? Man muss jedoch wissen, wie man diese Angabe deuten muss, da es leider keine Norm oder zumindest ein gemeinsame Messgrundlage gibt. Würde man z. B. die Kapazität bei einer konstanten Last von 1 Ampere am Ausgang angeben, wären alle Power Banks sehr viel besser vergleichbar.

In der Praxis spielen noch sehr viel mehr Parameter eine Rolle. Lithium-Ionen Akkus verlieren z. B. bei niedrigen Temperaturen rapide an Kapazität (also im Winter besser in einer Innentasche der Jacke aufbewahren!). Durch Alterung und häufiges Laden verringert sich die Kapazität der Zellen. Auch verändert sich der Wirkungsgrad des Step-Up Wandlers sehr dynamisch. Beim Maximalstrom von 2,1 Ampere, welche die meisten Power Banks am Ausgang liefern können, kann man hier sogar nur 70 Prozent Wirkungsgrad annehmen, bei 0,2 Ampere jedoch mit bis zu 98% rechnen.

Wenn ihr also nach der passenden Power Bank für eure Anforderungen sucht, könnt ihr von der angegebenen Kapazität 30-40% abziehen, um auf die tatsächlich nutzbare Kapazität zu kommen.

Übrigens macht auch das USB-Kabel einen großen Unterschied! Gerade Micro-USB Kabel haben oft einen so geringen Leitungsquerschnitt, dass man hier auf einem Meter Länge schon beträchtliche Verluste hat. Also hier auch auf ein gutes Kabel, z. B. dieses HIER, achten. Bei meinen Messungen kommt übrigens ein spezieller USB-Adapter mit 2 x 0,75 mm Aderquerschnitt und nur 20 cm Länge zum Einsatz.

3 Responses

  1. Rainer Grimm

    Danke erstmal an Markus für den Beitrag, der sicher für viele sehr hilfreich ist! Ich habe noch eine kleine Ergänzung: Es kommt außerdem noch ein weiterer limitierender Punkt hinzu. Die Angabe der Akkukapazität bezieht sich auf einen (eigentlich anzugebenden) Entladestrom bzw. die Entladedauer.
    Schreibt ein Hersteller eine Kapazität von 10Ah auf den Akku, so ist die auf eine Entladedauer von z. B. 5h, 10h oder 20h bemessen. Dafür hat sich die Angaben C5, C10, C20 durchgesetzt. Bei z. B. C10 heißt das, dass der Akku in 10 h komplett (bis zu Endladeschlussspannung) entladen wird, was einem (theoretischen) Entladestrom von 1A entspricht. Wird der Akku mit 10A belastet, so ergibt sich eine geringere Kapazität, da die chemischen Vorgänge in der Zelle dann nicht mehr so effektiv ablaufen und auch der Innenwiderstand des Akkus und der Leitung erhöhe Verluste bringen.

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