¿Cómo puede una batería cargar otra batería a un porcentaje mayor?

A veces es más fácil entender los circuitos en el contexto del agua. Lo que estás imaginando son dos tanques de agua de igual tamaño unidos entre sí por una tubería que ha sido sellada. Si un tanque contiene 5 % de agua y el otro 35 % de agua, cuando quita el sello, los tanques se igualan y termina con 20 % en ambos tanques.

Lo que está olvidando es que, al igual que las baterías, los tanques de agua vienen en diferentes capacidades. Un "tanque de agua" de batería grande es más equivalente a un tanque 4 veces el tamaño del "tanque de agua" del teléfono. Cuando suelta el sello, el tanque de agua del teléfono se llena fácilmente y la fuente, el tanque de agua de la batería todavía tiene mucha agua. La carga funciona de manera similar, excepto que no puede "ver" la carga como lo hace con el agua en un tanque de agua.

Entonces, ¿qué sucede cuando tienes un tanque grande con agua al mismo nivel que el tanque más pequeño? A pesar de que el tanque más grande contiene más agua, dado que están al mismo nivel de agua, están en equilibrio y, por lo tanto, uno no "carga" al otro. Asimismo, una batería suficientemente descargada, incluso con mucha capacidad, puede tener poca carga y no cargar el teléfono.

Espero que eso lo explique.

Editar: a la luz de varios comentarios, tal vez sería impreciso imaginar dos tanques uno al lado del otro, pero sería más preciso imaginar el tanque de batería grande en la parte superior para llenar el tanque de la batería del teléfono a continuación, ya que potencialmente todos la carga podría transferirse del paquete de batería grande a la batería del teléfono.

Conectar su teléfono a la batería no conecta directamente las celdas en paralelo. Supongo que aquí es de donde proviene su suposición de un equilibrio con igual voltaje -> igual porcentaje de carga.

Cortar las celdas de iones de litio / polímero de litio (LiPo) de esa manera probablemente haría que una o ambas se incendiaran literalmente por las altas corrientes o por la sobrecarga / descarga excesiva. (Los circuitos para evitar la descarga excesiva, incluso si el cable de carga está en cortocircuito, son absolutamente esenciales).

Hay algunos enlaces a videos de YouTube de incendios de baterías de litio en una electrónica reciente. SE pregunta sobre el diseño de su propio cargador. (TL: DR: es demasiado peligroso considerar hacerlo para un diseño casero, porque las celdas de litio necesitan MUCHOS circuitos de protección para ser en su mayoría seguras).

Entonces, la idea de conectar las celdas y dejar que sus voltajes se igualen "naturalmente" no es viable para las baterías modernas.

Los cargadores utilizan fuentes de alimentación conmutadas CC-CC para cargar a corriente constante. Utilizan inductores para convertir eficientemente a un voltaje diferente (mayor o menor). (Por ejemplo, para producir un voltaje más bajo, vea esta explicación detallada de un convertidor reductor que no usa un transformador, solo un inductor. También una discusión sobre los convertidores reductores multifásicos que se usan en las placas base de las computadoras ).

En la analogía del agua , donde el agua representa la carga y la presión representa el voltaje: un convertidor es como una bomba que puede mover la carga de un depósito inferior a un depósito superior. (voltaje = presión = energía potencial gravitacional (por unidad de volumen/carga).) Una pequeña fracción de la energía transferida se pierde debido a ineficiencias en la conversión. (Tal vez un par%, IDK).

Dado que la capacidad de la batería externa es mayor que la capacidad de la batería del teléfono, debería ser obvio que mover la carga del depósito grande al depósito pequeño puede llevar la batería del teléfono del 5 % al 100 % dejando caer la batería. paquete del 35% al ​​12%. No creo que esto sea de lo que realmente se trataba la pregunta.

Solo para que sea aún más obvio por qué las baterías no se conectan simplemente para igualar: algunas baterías pueden tener múltiples celdas en serie en lugar de una celda grande. Por lo general, esto se debe a razones de diseño físico, más que para obtener un voltaje más alto, porque los convertidores CC-CC se usarán de todos modos para producir voltajes de suministro en el rango de 1 V a 2 V para alimentar la mayoría de los dispositivos electrónicos.

Dado que las celdas de litio son tan delicadas y peligrosas, es imprudente conectarlas en paralelo en lugar de en serie. Una celda podría terminar tomando la mayor parte de la corriente. Entonces, en cambio, están conectados en serie con circuitos para que cada celda lo desvíe antes de que se sobrecargue o se descargue.

La transferencia de energía entre el teléfono y la batería se realiza a través de un cable USB , que funciona a 5 V. (O, con la señalización de suministro de energía USB, el dispositivo que se está cargando puede indicar que puede aceptar hasta 20 V, lo que permite una mayor potencia al mismo tiempo). corriente para reducir las pérdidas resistivas y permitir una carga más rápida sin exceder los límites de corriente seguros para el cable/conectores).

La clave aquí es el voltaje de ambas baterías. La batería del teléfono generalmente tiene un voltaje de 3.7V. El paquete de batería tiene un voltaje más alto o un circuito que le da un voltaje de 5V a su teléfono. Entonces, siempre que el voltaje con el que cargues el teléfono sea más alto que el de la batería, el porcentaje de energía no importa y el teléfono se carga.

Para un iPhone, el voltaje de la batería es de 3,8 V nominales y el paquete de baterías probablemente replicaría el voltaje de salida de 5 V de una fuente de alimentación USB.

Por lo tanto, el paquete de baterías se descargaría mientras conducía corriente al terminal positivo de la batería del teléfono y, por lo tanto, recargaría la batería del teléfono.

Por lo tanto, solo cuando el voltaje de la batería era menor que el voltaje de la batería del teléfono, la batería del teléfono no se recargaba.

Como una aproximación en términos de capacidad de la batería$C$mAh

$(100-5)C_{\text{phone}} = (35-12)C_{\text{pack}} \Rightarrow \dfrac{C_{\text{pack}}}{C_{\text{phone}}} \approx 4$

Realmente debería hacerse en términos de energía, pero el proceso de recarga no será 100% eficiente.

$3.8 (100-5)C_{\text{phone}} = 5 (35-12)C_{\text{pack}} \Rightarrow \dfrac{C_{\text{pack}}}{C_{\text{phone}}} \approx 3$

El voltaje no es parte de esta explicación. La respuesta es que cada paquete de baterías almacena una cierta cantidad de energía. Esto se mide en julios.

En su nivel más básico, la batería de su teléfono tiene una cierta capacidad en julios, su banco de baterías externo también tiene una capacidad en julios. Cuando carga la batería, está transfiriendo una cierta cantidad de julios de una batería a otra.

La analogía física es verter agua de un cubo en una taza. Si su balde tiene capacidad para 5L y su taza tiene capacidad para 500mL, podrá llenar su taza 10 veces.

La parte en la que parece centrarse con los niveles de voltaje de las dos baterías no es relevante con la electrónica moderna. Una fuente de alimentación de modo conmutado (un poco como un transformador para CC en lugar de CA) puede convertir de bajo voltaje a alto voltaje. Hay pérdidas en esto, por lo que es posible que solo pueda llenar su taza de 500 ml 9 veces y una taza se pierde debido a varias pérdidas (predominantemente inquietas y cambiantes)

La analogía mecánica aún se mantiene y hemos podido construir dispositivos que pueden bombear agua a un potencial mayor durante al menos unos cientos de años. Ver Wikipedia Bomba de ariete . La idea es que puedes tomar la energía potencial de un volumen de agua y agregar esa energía a un volumen diferente de agua. Este es el principio general detrás de las fuentes de alimentación conmutadas, pero las ineficiencias suelen ser mucho mayores que las del sistema mecánico. Estos dos videos pueden ayudar a proporcionar una sensación más intuitiva de cómo funciona esto y son interesantes ver video 1 video 2

Editar: de alguna manera me perdí la respuesta de Peter Cordes que establece esto de manera más elocuente, aún así lo dejaré aquí, ya que buscar bombas de ariete es una buena manera de entenderlo.

En el caso de los paquetes de baterías, existe un requisito de peso mucho más liviano y también costos de desarrollo/fabricación mucho menores. Pero es importante ser más grande (en el sentido de Ah).

Si llena una taza de té con una jarra grande, la taza estará llena (100 %) mientras que el nivel de té en la jarra disminuirá solo un poco.

Las capacidades Ah de las baterías casi siempre están escritas en su caja, incluso en el caso de su teléfono y también en su paquete de baterías.

Puedo agregar un poco de química con la esperanza de que sea de alguna utilidad para los físicos e ingenieros que analizan el proceso de carga de las baterías de los teléfonos celulares utilizando baterías de fuentes de energía de respaldo.

Betteries son dispositivos que transforman la energía química en energía eléctrica y viceversa. Las llamadas baterías secundarias funcionan en ambas direcciones, mientras que las baterías primarias funcionan solo en una dirección (son del tipo de usar y tirar, y no se pueden cargar). Aquí, nos ocupamos de las baterías secundarias que pueden pasar por ciclos de carga y descarga varias veces.

Cuando una batería funciona se producen reacciones químicas. Cuando las reacciones ocurren espontáneamente, la batería funciona como fuente de energía eléctrica. Puede producir luz si se usa en una linterna, acciona un ventilador o incluso carga otra batería. Estas reacciones están asociadas con ciertos valores de potenciales eléctricos. Los terminales positivo y negativo están asociados con diferentes reacciones y, por lo tanto, diferentes valores de potencial. La diferencia en los potenciales es el voltaje de la batería. A medida que la batería funciona, se producen las reacciones y la diferencia de potencial permanece constante (batería ideal) porque las reacciones siguen siendo las mismas. Sin embargo, su capacidad cambia: la capacidad disminuye a medida que se vacía. y la capacidad aumenta a medida que se carga (todo a voltaje constante, para una batería ideal).

Así, la diferencia esencial entre la carga-descarga del flujo de agua y la carga-descarga de una batería es la siguiente: cuando el agua sale o entra, el nivel del agua en el recipiente cambia; sin embargo, en el caso de la batería, el voltaje no cambia (asumiendo la idealidad, en realidad, sí cambia).

Es una noción errónea que la carga fluye hacia una batería cuando se carga y la carga sale cuando se descarga. ¡LA CARGA CIRCULA SOLAMENTE EN UNA BATERÍA, NO FLUYE HACIA DENTRO O HACIA FUERA!

La capacidad de energía (capacidad de vatios-hora) de la fuente de respaldo es mucho mayor que la de la batería de celda.

En la batería de celda, la energía se transforma de química a eléctrica a calor, durante la descarga y de eléctrica a química durante la carga, mientras que en la batería de energía de respaldo, la energía se transforma de química a eléctrica cuando carga la batería de celda y de eléctrica a química cuando se recupera. cargada desde la red eléctrica.

Espero que esto se sume a la información útil ya contenida en las discusiones anteriores.

P. Radhakrishnamurty

La pregunta principal se complica innecesariamente al referirse a la batería de un teléfono y su paquete de baterías. Concentrándose estrictamente en dos baterías "simples", una cargada al 5% de su capacidad y la otra cargada al 35% de su capacidad. La implicación es que el que tiene la carga más grande puede cargar al que tiene la carga más pequeña. Esto no es necesariamente cierto . ¡Depende de qué batería tiene el voltaje más alto !
Para cargar una batería , esta debe recibir un voltaje mayor que su voltaje actual. Para una batería de Li, está completamente cargada cuando su voltaje "sin carga" es de 4,2 V y está cargada al 5 % cuando el mismo voltaje es de 2,8 V.

Si usa una batería de automóvil de 12v (incluso si solo está cargada al 35%), es probable que la batería de litio explote (o al menos se caliente mucho).

Si utiliza una batería de 5 V (al 35 %), la batería de litio se cargará a 4,2 V (100 %) y los 0,8 V adicionales se consumirán debido a la ineficiencia normal.

Si utiliza una batería de 2,8 V (incluso si está cargada al 100 %), ¡ no podrá cargar la batería de Li en absoluto!