自己餓死自己的太陽能行動電源

某次去深圳出差, 在賽格樓上的批貨市場買了這個號稱可以用太陽能充電的行動電源. 買的時候特別請店家拆來給我看, 確定裡面是鋰聚合物電池, 我才敢買. 鋰聚合物電池如果管理不當, 頂多是膨脹, 但鋰離子電池如常見的筒狀 18650 或 14500, 如果充電控制不當會有爆炸的風險.

這東西在深圳的電子市場上買好便宜, 從電池的尺寸來估計它大概有個 1500mAh, 加上這片太陽能板, 就算是多晶的, 多少也有個 500mW 輸出, 整套只要人民幣 40 元! 只要不是買到裡面灌鐵砂這種假貨中的假貨, 就算電池是回收的爛貨我也甘願. 況且我還特別在店裡試過, 它的 DC-DC boost 輸出確實可以撐得住 iPhone 需要的充電電流.

小試身手

買回來之後, 試著用 USB 把它充飽, 然後灌給 iPhone 4S, 沒想到居然還能把 iPhone 4S 充到八九成. 根據拆機報告, 4S 的電池容量是 1430mAh, 就算我的電池已經衰退, 東扣西扣再扣掉充放電損耗, 這個行動電源居然還可以存個一千多 mAh 的電, 也算是 A 貨中的上品了.

既然買的是太陽能款, 當然要用太陽能充充看囉. 放在書房的角落, 讓它曬著夏日的陽光, 曬個一整天後果然也可以讓 iPhone 4S 充個半飽, 看來這片太陽能板不是個空包彈啊.

餓死了

不過後來多用了幾次之後, 有個現像讓我很疑惑. 每次將它充飽後, 只要在我的書房上放個幾天, 它就會完全沒電. 我剛開始以為是設計的人蠢到把 On/Off 開關放在 DC-DC boost 的輸出, 所以即使 USB port 沒有負載, 裡面的 DC-DC boost 沒關掉一直在打, 靜態耗電把電池給搾乾了, 但一來這麼蠢的設計不太常見, 二來在沒接負載時如果把開關打開, 可以聽到輕微的 boost converter 電感鳴叫聲, 但關掉時就沒有, 因此我相信它的 On/Off 開關應該是在 DC-DC boost 的一次測.

我又多做了幾次實驗, 居然發現如果我把它充飽然後鎖在抽屜裡, 電就不會放光, 但如果放在桌子上, 大概幾天就沒電了. 真是見鬼了… 於是我決定把它拆開一探究竟.

拆開之後跟我在店裡看到的印像差不多, 一顆鋰聚合物電池, 加上一小片電路板.

簡單的電路

電路板上的零件都沒有磨掉編號, 所以大部份都可以查到進而推敲電路的功用. 我查了一下, 大致上是一個 single-cell 的鋰電池 CC-CV 充電管理 IC, 加上一個粴電池過充過放斷電保護電路, 以及一個 USB 輸出用的 DC-DC boost 電路構成的. USB 的充電輸入是透過 CC-CV 充電管理 IC 才充到電池裡的, 但太陽能板的電是直接灌到電池裡, 只經過一個順向二極體以免和 USB 充電打架.

換句話說, 當使用太陽能板充電時, 太陽能板發多少電就直接往電池灌, 而唯一的保護就是電池的過充過放管理 IC. 我查了一下, 它的過充保護設在 4.25V, 因此如果 cell 已經充飽了, 而太陽能板發出來的電壓又高於 4.25V 時, 電池就會處在開路的狀態, 不會讓 cell 過充. 以這種太陽能板能發出的電量來說, 這樣做其實沒什麼不好, 要靠這個尺寸的太陽能板發出能夠讓鋰聚合物電池充到脹起來的大電流, 就算是日正當中的夏日陽光下也很難辦到, 更不用說一般的充電情況了.

但我發現一件很有趣的是: 板子上有個綠色的 LED 會在有光線照射太陽能板時亮起來, 而且只要用桌上的檯燈照就可以讓它亮起來. 但我直覺上覺得此時太陽能板發出來的電應該不足以點亮這個 LED 啊 ? 而且我試了一下, 當電池完全沒電時, 剛開始用陽光充電時這個燈是不會亮的, 要充了一陣子後這個燈才會亮起來.

自己餓死的

突然間, 我想通了. 這個 LED 就是這個行動電源自己餓死自己的關鍵!

LED 的電其實來自電池, 但控制 LED 亮或不亮的訊號來自太陽能板:

只要當太陽能板輸出的電壓夠高, 足以打開控制 LED 的電晶體時, LED 就會亮, 而 LED 的電源來自粴聚合物電池, 但此時太陽能板發出來的電雖然仍會充進鋰聚合物電池, 但卻不足以點亮 LED, 因此對電池來說此時的淨流量是放電流出, 慢慢的電池就被放光了.

而且還有另一種狀況, 就是太陽電池發出來的電壓低於鋰聚合物電池的端電壓. 視電量而定, 鋰聚的端電壓在 3.3V – 4.2V 之間, 而我用電錶量這個太陽能板, 在室內一般照明時只能發出約 1.8V 左右的電壓, 因此是充不進電池的, 但確足以打開 LED 燈, 因此 LED 就一直亮著亮著亮著亮著, 讓人覺得好像有在充電, 但實際上卻不斷在消耗電池的電, 直到 cell protection 的過放保護 2.5V 動作時, 電池才停止放電, 不過它也被榨得差不多了.

解決的方法呢, 要嘛就是把 LED 改為用太陽能板供電, 讓太陽能板的輸出高到可以點亮 LED 時, LED 才會亮, 另一個辦法是直接把 LED 給拿掉. 實際上我也認為不需要一個 LED 指示充電正在進行中, 況且太陽能板發出來的電已經不多了, 還要餵給這個指示燈, 實在不是什麼很有意義的事. 所以我就把 LED 給剪了, 一了百了…

後記

事後我仍在盤算著, 當照度不足時, 太陽能板發不出足夠高的電壓, 充不進電池裡, 但這能量其實仍是可用的. 也許可以來做一組小電流高效率的 DC-DC boost, 把 1.2V 左右的太陽能板輸出打到 4.2v 左右去充電池, 就可以利用照度不足這一段的能量. 但我得先量一下太陽能板在戶外陽光直射時, 發出來的電壓會不會高過 4.2V. 如果會的話, 就要考慮 buck-boost 架構, 這樣就搞大了…