Grundsaetzliche Betrachtungen zum Thema USB-Laden und dem Sinn von USB-Schnelllade-Modi wie QC, PD usw

[khyal]

In letzter Zeit faellt mir auf, dass im Forum ein starker Hype auf Ladegeraete, PBs mit moeglichst viel Schnelllade-Modi entsteht, manchmal habe ich den Eindruck, dass dem keine qualifizierte Betrachtung voraus geht, sondern eher nach dem Prinzip "viel hilft viel"   was nicht unbedingt der Realitaet entspricht...

Deswegen mal ein paar zusammenfassende Betrachtungen zum Laden.
User, die wie ich vom Fach sind (eigener Background Elektroniker mit Berufspraxis) moegen verzeihen, dass ich es teilweise vereinfacht ausdruecke, damit es eher allgemein verstaendlich ist und manchmal auch eher meine praktischen Erfahrungswerte aus etlichen Jahrzenten Praxis nenne, statt eine Lehrbuch-Meinung zu vertreten.

Normales USB-Laden findet mit USB Spannung = 5 V und Stromstaerken bis 3 A statt, ich vergleiche zum Schluss das normale Laden mit den Schnelllade-Modi.

Ein Schnelllade-Modi funkt nur dann, wenn die ganze Kette ihn kann und gerade bei Noname-Geraeten heisst die Auflistung von bestimmten Modi nicht unbedingt, dass diese Teile die Modi auch echt koennen, wenn man es mal nachmisst.

Wenn jemand echt in die "Tiefe" gehen will, die Schnelllade-Modi messtechnisch zu ueberpruefen, als kleiner Hinweis, die meisten USB-Messgeraete "koennen" die Schnelllade-Modi nicht vernueftig, d.h. wenn das Teil dazwischen haengt, bleibt es bei 5 V o.A.
Wenn man also echt aus irgendwelchen Gruenden die Modi messen will, sollte man darauf achten, dass das Messgeraet diese auch kann, ob man das wirklich braucht, ist eine andere Frage
Das Messgeraet, was ich aufgrund eigener Erfahrungen als das Beste fuer das Ueberpruefen von den Modi empfehlen kann, ist dies ca 35 € (leider nur ein Amaz**-Link, sorry, passt mir auch nicht, den Handeltoeter zu verlinken, aber war mir halt immer noch lieber als nen Ali-Link), saugenau (hab´s mal mit meinen normalem Messpark nachgecheckt), man kann es via Micro-USB powern, um den Eigenverbrauch auszugleichen, man kann PD-Modi antriggern und die Messwerte auch noch extern ziehen.
Aber normale, richtig gute USB-Messgeraete gibt es bereits fuer knapp 15 € und damit kann man die meisten wichtigen Messungen, wie Kapazitaet / Wirkungsgrad von PBs messen, auch prima erledigen...


Was sind ueberhaupt grundsaetzlich Schnelllade-Modi und was ist der evtl Vorteil gegenueber einer Erhoehung der Stromstaerke ueber die ueblichen 2-3 A hinaus ?
Eigentlich ist der Hauptvorteil Kostenersparnis in der Produktion, hoehere Stroeme bedingen dickere Kabel (oder es gibt Leistungsverluste) andere Bauteile, evtl dickere Leiterbahnen, es ist noch wichtiger, stabile Loetstellen ohne Uebergangswiderstaende zu haben (was seitdem es die irren Gesetze gibt, dass nur noch "bleifreies" Loetzinn verwendet werden darf, ein Thema ist) usw.
Leistung ist nun mal das Produkt aus Spannung * Strom, (mal platt erklaert, kann man sich am Beispiel einer Wasserleitung, die bergab laeuft, Spannung als der Wasserdruck - also den Hoehenunterschied und Strom als Durchmesser der Leitung vorstellen) statt nun den Strom weiter zu erhoehen, kann man statt dessen auch die Spannung erhoehen, ist btw dasselbe Prinzip was bei Hochspannungs-Ueberland-Leitungen verwendet wird.

Was ist denn mit "Ein Schnelllade-Modi funkt nur dann, wenn die ganze Kette ihn kann" gemeint ?
Das ist eigentlich simpel, jede Ladekette besteht immer aus einem energie-gebenden Geraet einem Kabel und einem energie-nehmenden Geraet, alle 3 muessen dann den entsprechenden Schnelllade-Modus "koennen".
Um das anhand der technischen Daten zu ueberpruefen (wobei die bei irgendwelchem China-Ali usw Kram haeufig mehr Grimm´s Maerchen sind, wenn man es denn dann mal messtechnisch ueberprueft)...:
Wichtig ist, dass beim energiegebenden und energie-nehmenden Geraet dieselben Buchstaben PD (deutlich haeufiger) oder QC dabei stehen...

Ich rate dazu, sich dann nicht mit Einlesen in die verschiedenen PD oder QC-Modi selbst zu verwirren :-), es geht viel simpler, es ist bei beiden Geraeten ueblicherweise aufgelistet, bei welchen Spannungen sie wieviel Strom liefern bzw ziehen koennen, der Kleinere von beiden Werten (also im Vergleich zwischen beiden Geraeten) bestimmt die maximal moegliche Uebertragungsleistung.
Ich bringe zum Schluss im Vergleich noch Beispiele...

Das Thema Kabel ist leider nicht so schoen eindeutig, was sich schon mal sagen laesst, ist das normalerweise deutlich hoehere Schnelllade-Spannungen als USB mit anderen Steckern als USB-C nix wird, da das "Absprechen" dieser Modi ueber Steuerleitungen laeuft, die nur am USB-C Stecker verkabelt sind.
Bei irgendwelchen Noname USB-C -> USB-C Kabeln kann man sich leider auch nicht unbedingt drauf verlassen, dass die komplett verkabelt sind.

Dazu kommt auch noch generell das Thema Leiterquerschnitt, zumindest fuer die 2 Leistung uebertragenden Leitungen, immerhin geht es da um 1,5 - 3 A Stromstaerke, damit wir nicht zu hohe Verluste im Kabel haben bzw der Spannungsabfall zu hoch wird, sollte der Leiter min 0,5 mm² haben, bei einem sehr kurzen 20 cm Kabel reichen imho auch min 0,3 mm², der Querschnitt wird, wenn ueberhaupt, nur als AWG-Wert angegeben, das entspricht einem Wert von 20 bzw 22 oder niedriger (je niedriger der AWG-Wert, umso dicker ist der Leiter.)

So nun mal zur Praxis :
Nehme wir mal als Beispiel, Teile meiner Elektronik-Outdoor-Settings.
Aufgrund dessen, das ich ja einen guten Teil des Jahres draussen bin und deswegen auch abends vom Zelt aus arbeite, ist es bei mir mehr Kram, als bei einem normalen UL-Wanderer / Paddler...
Momentanes Toursetting...

Smartphone Moto G8
Backup Moto G31

3 Powerbanks
2 Nitecore NB5000
1 Nitecore NB10000 V2
nicht unbedingt immer alle dabei

Lademoeglichkeit je nach Tour via Solarpanel, 12 V Lader, Steckdosen-Lader...
Bei den 12 V und Steckdosen-Ladern habe ich sowohl welche, die die Schnelllade-Modi koennen, als auch welche, die mit USB max 2,4 A laden koennen.

fuer´s Garmin GPS habe ich ausser bei sehr kurzen Touren (< 1,5 Wochen) 2 Einzellen-Lader fuer die Eneloop bei.

Alles Andere wie Kamera, Gopro, UL-BT-Tastatur, Flash-Recorder usw lasse ich mal weg....

Die Einzellen-Lader ziehen eh deutlich weniger, als die normalen USB-Lader liefern koennten.
Die beiden Smartphones laden mit max 10W, auch da wuerden Schnelllade-Modi gegenueber USB Laden mit 2 A keine Vorteile bringen.
Mein Solarpanel (Anker 15 Wp) ist fuer dieses Forum schon sehr dick, aber da man auch via normalem USB derartige Leistungen uebertragen kann (Faustformel gute Panels max 2/3 Wp als Leistung), wuerden auch hierbei Schnelllade-Modi keine Vorteile bringen.

Kommen wir zu den PB, die mit PD mit max 18 W bzw 9 V / 2 A geladen werden koennen, alternativ mit USB 5 V / 2,4 A.
Hier bringt nun PD etwas Geschwindigkeitsvorteil, da mit PD mit 18 W und ohne mit 12 W geladen werden kann.
btw bringt es natuerlich am meisten Geschwindigkeitsvorteil, wenn ich statt die NB10000 mit 18 W zu laden, lieber die beiden NB5000 parallel mit insgesamt 36 W lade.
Entsprechend laedt auch eine NB20000 langsamer (obwohl diese mit max 30 W geladen werden kann), als wenn 2 NB10000 parallel geladen werden (36 W).

Was man an diesen Beispielen schoen sehen kann, dass die Schnelllade-Modi haeufiger ueberhaupt keinen Vorteil oder nur einen rel geringen Vorteil bringen und das u.U. 2 kleinere PB statt einer Groesseren neben der Redundanz auch einen Geschwindigkeitsvorteil beim Laden bringen koennen.

Nun wird der Eine oder Anderez.B. evtl ein Smartphone o.A. haben, was auch mit einem schnelleren PD-Modus als 18 W geladen werden kann, das kann dann allerdings gut auf die Lebensdauer des Akkus gehen.

Grundsaetzlich empfehle ich, mit max 1/2 C zu laden, wenn man seinen Akku moeglichst schonen will, wer mit mehr als 1 C laedt, schaedigt seinen Akku bzw verkuerzt die Lebensdauer ernsthaft.
C ist die Kapazitaet des Akkus, z.B. meine Motos haben 4 Ah Akkus, interne Akkus haben fast immer 3,7 V d.h. 3,7 V * 4 Ah ~ 15 Wh, mit USB Laden mit 2 A = 10 W sind wir also schon bei 2/3 C.
Die NB10000 PB hat 10 Ah bei 3,7 V = 37 W, die NB5000 PB hat 5 Ah bei 3,7 V = 18,5 W,
wenn man also die 18 W PD Lademodus ausnutzt, wird die NB10000 mit ca 1/2 C und die NB5000 mit 1 C geladen, wenn man die NB5000 mit einem normalen USB 2,4 A Ladegeraet laedt, wird sie mit ca 2/3 C geladen.

Insofern sollte sich jeder auch ueberlegen, wenn er ein Smartphone hat, was schnelle PD Modi kann, ob es wirklich noetig ist, so schnell zu laden und sich damit frueheren Kapazitaetsverlust beim Akku einzuhandeln.
Wenn man eh ne PB oder Mehrere bei hat, macht es haeufig mehr Sinn, lieber die preiswerteren PBs schneller zu laden und dann spaeter im Zelt langsam das Smartphone.


Mein Fazit :
In selteneren Outdoor-Tour-Settings gibt es Vorteile durch hoehere Schnelllade-Modi (wenn es denn die ganze Ladekette kann), das geht aber dann mit Nachteilen, was die Nachhaltigeit / Lebensdauer (was ich gerade bei derartigen Produkten, die teilweise aus seltenen Rohstoffen aufwendig produziert werden und meist beim Entsorgen nicht recycled werden o.A. wichtig finde) betrifft, einher.
In den meisten Lade-Settings fuer Outoor-Touren gibt es dadurch keine Vorteile.
Wichtiger ist, darauf zu achten, in den kompletten Ladeketten hochwertige, ausfallsichere Komponenten zu verwenden und masshaltige Stecker an den Kabeln, um keine Ladebuchsen an teuren Geraeten zu killen.


Bitte bei evtl Antworten fachlich ontopic bleiben (u.A. damit Leser des Threads nicht verwirrt werden) d.h. keine Grundsatz-Diskussionen ueber Nachhaltigkeit von Elektronik, Vermutungs / Glaubensaussagen , sehr willkommen sind Korrekturen fuer OT, eigene Messergebnisse (mit Messgeraeten) u.A. da laengerfristig der TO in den zukuenftigen Grundlagenbereich vom Forum gepackt wird.

Sollte jemand Fragen zum Inhalt des TO haben, kann er mir sie auch gerne auch via PN stellen, ich bastel dann entsprechende Ergaenzungen in den Text...

[kra]

Völlig d'accord, speziell mit der Qualität der Komponenten! Lieber hier mehr (auch deutlich mehr) ausgeben als nachher blöd dazustehen.

Zwei Ergänzungen habe ich noch,

1. Je höher die Ströme werden bzw. je stärker die Spannungswandlung eingreifen muß (3,7/5V vs. 3,7/15V z.B.) desto höher werden die Verluste in den Schaltungen und Kabeln, sowohl bei PB wie auch beim Verbraucher!.

2. und den autarken Fall mit Solarpanel betreffend,

Man sollte immer die ganze Energie-Kette auch hinsichtlich der Effizienz betrachten. 

Das Solarpanel liefert (grob geschätzt) echte 10W bei vernünftiger Sonneneinstrahlung. Eine angenommene PB (meine NB10000, Energieinhalt lt. Aufdruck 38,5 Wh) benötigt um von 0% auf 100% beispielweise ca. 44,2 Wh (bei einer Ladung mit ca 18W), liefert aber am Verbraucher bei einem Ausgangsstrom von 2A (10 W nom.) 32,6 Wh ab. Lt Aufdruck soll sie 32 Wh ( 6400mAh / 5V) liefern. 

Eine simplere PB kann nun an beiden Teilen der Übertragungskette schwächeln, also weniger liefern als angegeben oder mehr Energie benötigen beim Aufladen. Grund sind sowohl die chemischen Vorgänge in der Zelle selber wie auch die Qualität der elektr. Schaltung in der PB. Allerdings ist die Exemplarstreuung bei den "Mittelgünstigen" PB ziemlich hoch, man kann auch positive Ausreißer haben.

Man braucht um die PB aufzuladen aber generell deutlich mehr Energie als was man nachher wieder heraus bekommt! Deswegen ist Paththrough auch nur dann interessant, wenn man die ganze NAcht Zeit hat zum Laden an einer stationären Energiequelle. Und wenn induktives Laden hinzukommt wird das ganze noch sehr sehr viel ineffektiver.

Ohne jetzt die ganze Einzelrechnungen durchzukauen (wer will kann das Excel gerne - nach Neujahr  - bekommen) braucht man für die Ladung der PB bei einer Sonneneinstrahlung von 75000 Lux (klare Sonne im Dezember @49°N, Panel fast senkrecht geg. d. Sonne ausgerichtet) knapp 5h Ladezeit. Im Hochsommer bei ca. 100000 Lux sind es noch knapp 3,5 h.

Und als letztes sollte man die Bilanz auch noch auf die Endgeräte ausweiten, auch wenn es da meist schwierig wird. Aber mein Smartphone (Huawei P30 pro) benötigt  bei nominellen 15,17 Wh Energieinhalt ca. 18,7 Wh am Ladeeingang für ein mal aufladen (0-100%), braucht also das ca. 1,23 fache der nominellen Ladung zum Aufladen (Effizienz 0,81, was btw. ein ganz guter Wert ist!). Mein Inreach Mini 2 hat eine Lade-Effizient von nur ca. 0,71!

Fazit: am besten fährt man, wenn man bei der 5V-Schiene, moderaten Strömen bis ca. 2A und hochqualitativen Komponenten bleibt. 

PS. @khyalwenn zu viel OT dabei bitte "feudeln".

PPS. den genannten USB-C Tester kann ich auch nur empfehlen, dazu noch eine kleine, einstellbare elektronische Last und viel Zeit...

Bearbeitet 31. Dezember 2022 von kra

[Namie]

Danke für diese Fachliche Ausführung! 
Ich gebe zu nicht alles ganz verstanden zu haben… bzw. zwischendrin den Faden verloren habe da es nicht mein Metier ist.

Aber das Fazit ist klar und deutlich! 
Danke 

[Matthias]

OK..da ich nichts von dem was da steht verstanden habe stecke ich weiter einfach an und warte bis geladen ist.

Bearbeitet 31. Dezember 2022 von Matthias

[bandit_bln]

Also ich finde schon, dass die Schnellladung meines Handys ein echter Vorteil ist. Gerade bei meine letzten Bikepackingtour war es ein Riesenvorteil bei kurzen Zwischenhalten den Akku wieder aufzuladen.

Inzwischen hat sich doch auch mit Schnellladezellen und entsprechenden Ladegeräten eine Menge getan, so dass die Akkus auch nicht gleich geröstet werden.

Bearbeitet 31. Dezember 2022 von bandit_bln

[kra]

Nö, geröstet werden sie nicht gleich, aber die Lebensdauer (und wohl die verfügbare Leistung, da bin ich aber noch am testen) läßt sich durch schonende Ladung durchaus erhöhen bzw. durch Schnellladen verringern.

[tillkm]

Es wäre schön, wenn man am Smartphone oder am Ladegerät einstellen kann, ob man Schnelladen möchte oder nicht. 

Wenn ich bei einer kurzen Pause Zugriff auf eine Steckdose habe, möchte ich, dass in einer halben Stunde so schnell wie möglich geladen wird. Wenn ich dagegen die ganze Nacht Zeit zum Laden habe, reicht auch ein lahmes 500mA/5V Gerät, das den Akku schont.

Wieso geht das eigentlich noch nicht?

So müsste ich ja entweder beide Ladegeräte mitschleppen, oder in Kauf nehmen, dass das Schnelladegerät den Akku in den meisten Fällen, in denen genug Zeit für langsames Laden vorhanden wäre, unnötig strapaziert.

Bearbeitet 1. Januar 2023 von tillkm

[grmbl]

vor 16 Minuten schrieb tillkm:

Wieso geht das eigentlich noch nicht?

Geht wohl, bei der Google Pixel -Serie zb kann man adaptives laden ein und Ausschalten. Nur dass Schnelladen bei denen bislang 20w bedeutet...

[Mars]

Ich halte die Annahme, man könne sich mit PD den Akku des Smartphones verholzen, für etwas sehr weit hergeholt. Apple unterstützt PD seit 2017, die aktuellen iPhones laden mit 30 W max. Apple hatte mal den Akku bei älteren Geräten via Software gedrosselt, dies kam nicht so gut an und sie mussten das wieder rückgängig machen.

Bedenkenlos kann man aber auch einen 60 W Lader oder mehr verbinden und siehe da, das iPhone geht nicht mal in Flammen auf. Sämtliche Smartphones sind entsprechend gesichert (seit langem), die lassen nur den Strom an ihren Akku, mit dem der Akku auch umgehen kann. Andernfalls gibt es weniger optimale Schlagzeilen, siehe Samsung Galaxy 7. 

Ankers Power IQ 3 deckt PD und QC ab (gemäss Anker kann Power IQ 3 sogar PD Geräte schneller laden als reine PD Lader). Anker sagt, ihre Lader identifizierten die Geräte über USB-C und lüden dann entsprechend. D.h. PD wird emuliert oder simuliert, mir doch egal, Hauptsache es funktioniert und schnell.

Schnell laden schafft in meinen Augen mehr Sicherheit. Es kann immer ein Vulkan ausbrechen, Einwohnende missmutig sein oder ein Bär erwischt wieder mal zu viel Kokain (siehe Dokumentation hier).

Dann will ich lieber nicht in meinem Zelt herumliegen. Eher minimiere ich die Zeit am Kabel, egal ob von der Powerbank oder Steckdose. Natürlich kann man die Powerbank und das Smarphone verbunden herumtragen aber dies ist immer ein Risiko. 

Anker Lader ohne PD aber mit IQ laden die Nitecore NB10k innert 4 Stunden voll auf. Vorausgesetzt man hat USB-C vom Lader zur PB.

OT: Es macht keinen Sinn bei der PB 10 Euro zu sparen und dann sinnlos im Dorf zu sitzen und möglicherweise das Geld in Mineralwasser zu investieren. Die Nitecore NB10k hält auch mal ein halbes Jahr auf dem Trail aus.

Wobei, nun ist sie sowas von vom letzten Jahr (auch die Gen 2), immerhin war sie gut. Ohne Nitecore CARBO20k oder SUMMIT10k traue ich mich im 2023 nicht mehr auf den Trail.

Ob es für die Umwelt besser ist, die Lebensdauer des SP Akkus zu verlängern aber billige PB zu nutzen, wage ich zu bezweifeln.      

[kra]

vor 18 Minuten schrieb Mars:

...

Bedenkenlos kann man aber auch einen 60 W Lader oder mehr verbinden und siehe da, das iPhone geht nicht mal in Flammen auf. Sämtliche Smartphones sind entsprechend gesichert (seit langem), die lassen nur den Strom an ihren Akku, mit dem der Akku auch umgehen kann. Andernfalls gibt es weniger optimale Schlagzeilen, siehe Samsung Galaxy 7. 

....

1. Du kannst an jedes Gerät, das über USB geladen wird auch ein 500W USB Netzteil  (wenn es das gäbe) anschließen. Das war nie die Frage und das hast du dann ja auch bestätigt...

2. Du weißt schon, das das Problem beim Samsung Note 7 (nicht Galaxy 7) die zu knappen Einbaumaße waren, die den Akku mechanisch gestreßt haben und dadurch zum Durchbrennen des Akkus führten? Mit Schnell/langsamladen hatte das null,null zu tun.

3. Das Bsp. mit Apple bestätigt übrigens die Information, das Schnellladen die Lebensdauer des Akkus reduzieren kann. Deswegen hat Apple das ja für die alten Dinger per Update eingeführt - um eben die Akkus nicht durch hohe Ladeleistung zu stressen. Danke für die Bestätigung.

PS. Keiner schrieb, das man mit hohen Ladeströmen den Akku zwingend ruiniert. Das ist ein Popanz. Aber das die Lebensdauer eines Li-Akkus durch hohe Ladeströme eher reduziert wird als durch niedrig ist gängiges Wissen. Ob du es jetzt nutzt oder nicht sei jedem überlassen.

[pfrinz]

Gute Gelegenheit mich mir meinen Fragen zum Schnellladen zu outen, danke!
Ich nutze (altere, aber für mich großartige) Geräte mit Qualcomm Qickcharge 2 bzw. 3. Hab auch die entsprechenden Kabel und Ladegeräte.
Funzt alles super, zusammen mit meinem (an)gewohnten "guten" Ladeverhalten (immer zw. 10/20% bis 80/90%, alle paar Wochen/Monate mal ausgeschaltet von 0-100%) habe ich übrigens den Eindruck gewonnen dass der Akku immer besser hält!

Jedenfalls ist nun QC am Markt ziemlich von Power Delievery abgelöst worden scheint mir.
Ab QC 4 "verstehen" QC Geräte auch PD, aber ob das umgekehrt auch so bzw. ob PD (sowie QC) dann auch noch abwärtskompatibel weiß ich leider nicht!
Von euch jemand?

Der Grund warum ich mich dass überhaupt Frage ist dass es kaum noch Marken-Powerbänke mit QC gibt, PD ist eben angesagt.
Kennt sich da jemand aus? Soweit ich verstanden hab geht es eben bei QC nicht nur um die "Zahlen" sondern darum des es wirklich nur mit ausgewählten Qualcomm-Chips geht.

Wenn ihr jetzt aus Erfahrung schreiben könnt dass QC 2 oder 3 Geräte von PD auch schnell geladen werden nehm ichs dankbar und freudig zur Kenntnis :)

Das es dann noch iSmart und wasweißich noch für andere Protokolle gibt vernachlässige ich mal weil ich denke die spielen für mein "QC-Thema" noch weniger eine Rolle als PD. Lasse mich aber auch gern eines Besseren belehren!