Wissen: Warum die Kapazität eurer USB-Powerbank so gering ist

Hersteller werben mit großen mAh-Angaben, aber was steckt wirklich dahinter?
Gerade auf längeren Reisen geht der Smartphone-Akku irgendwann in die Knie. Eine Powerbank, also ein mobiler Akku mit USB-Ausgang, schafft dann Abhilfe und dient als mobile Steckdose. Doch wieso ist die Powerbank eigentlich auch so schnell leer? Eine 10.000-mAh-Powerbank muss mein Smartphone mit einem 2000 mAh großen Akku doch 5 Mal wieder aufladen können? Schummeln die Hersteller etwa?

Hintergrund

Als Laie eine passende USB-Powerbank bzw. einen mobilen Akku für Smartphone oder Tablet zu kaufen ist vermeintlich einfach, gibt es doch für jede Preisklasse ein entsprechendes Produkt. Einfach schnell die Kapazität, welche in mAh angegeben ist, der Powerbank mit der Kapazität des Akkus verglichen und man weiß, wie oft man das eigene Telefon mit der Powerbank wieder aufladen kann, bevor der mobile Akku selbst an die Steckdose muss. Nach dieser Theorie würde sich beispielsweise ein 2000 mAh großer Smartphone-Akku mit einer 10.000 mAh großen Powerbank fünf Mal komplett wiederaufladen lassen. Doch so einfach ist es leider nicht. Wir wollen euch zeigen, wieso die Erwartungen, die Anwender an ihre Powerbank haben, oft grob enttäuscht werden. Keine Angst vor Zahlen, wir werden euch alles Wichtige erläutern.FSP Powerbank

Ein wenig Theorie

Um zu verstehen, warum die eigene Powerbank weniger Kapazität bereitzustellen scheint, als der Hersteller verspricht, macht es Sinn, sich kurz mit den zu Grunde liegenden Gesetzen der Elektrotechnik zu befassen.

Die Kapazität eines Akkus wird zumeist in mAh (Milli-Ampere-Stunden) angegeben. Ein Smartphone-Akku mit 2000 mAh (oder 2Ah) ist also in der Lage eine Stunde lang einen Strom von 2000 mA (oder 2A) zu liefern. Danach wäre der Akku vollständig entladen. Dieser Strom fließt dabei bei der Nennspannung des Akkus. Dieser liegt bei Smartphone-Akkus üblicherweise bei 3,8 Volt, da Akkus auf Lithium-Ion-Basis zum Einsatz kommen.Samsung Galaxy S4 Akku

Ein Beispiel hilft beim Verständnis. Nehmen wir den Akku des Apple iPhone 5S. Dieser besitzt eine Kapazität von 1560 mAh bei einer Nennspannung von 3,8 V. Multiplizieren wir die Kapazität mit der Nennspannung, so erhalten wird die Energie des Akkus, welche in Wh (Watt-Stunden) angegeben wird:

(1560 mAh / 1000 mA/A) * 3,8 V = 5,92 Wh – Hierbei wurde die Kapazität noch von mAh in Ah umgerechnet.

Unser Akku kann also eine Leistung von 5,92 W für eine Stunde lang abgeben, danach ist er theoretisch leer. Dazu kommt nun die Tatsache, dass Lithium-Ionen-Batterien nicht beliebig stark entladen werden dürfen. Daher überwacht die Elektronik im Smartphone dauerhaft die Spannung des Akkus und schaltet das Telefon bei einem gewissen Wert aus, um die Akku nicht zu beschädigen. Als Faustregel kann man hier annehmen, dass circa 5% – 10% der Akkukapazität nicht entnommen werden, um die Akkuspannung über einem kritischen Minimallevel zu halten.

Die Powerbank

Was hat das ganze nun mit meiner Powerbank zu tun, mögt ihr euch fragen? Ganz einfach: Auch die Powerbank hat selbstverständlich einen Akku eingebaut. Die hier verwendeten Akkus sind oft Lithium-Polymere-Akkus, mit einer Nennspannung von 3,7 Volt. Wie wir so eben gelernt haben, ist die Energiedichte das Produkt aus Akkuspannung und Kapazität. Nehmen wir unsere Powerbank mit 10.000 mAh als Beispiel, so besitzt diese eine Energiedichte von:

10.000 mAh / 1000 mA/A * 3,7 V = 37 Wh

Der Ottonormalverbraucher nimmt hier nun gerne an: Mein iPhone 5S hat eine Kapazität von 1560 mAh, die Powerbank verspricht 10.000 mAh an Kapazität, also kann ich mein Telefon (10.000 mAh / 1.560 mAh=) 6,4 Mal wieder aufladen, bevor die Powerbank leer ist.

Berechnet und vergleicht man nun aber die Energiegehalte der Batterien, so kommt man zu einem anderen Ergebnis, da der Energiegehalt der Powerbank aufgrund der niedrigeren Nennspannung im Vergleich zum Smartphone-Akku geringer ausfällt:

iPhone 5s: 5,92 Wh

Powerbank: 37 Wh

Ladezyklen: 37 Wh / 5,92 Wh = 6,25 Zyklen

Hier ergibt sich also schon einmal die erste Differenz.

Spannungswandlung

Des Weiteren muss bedacht werden, dass das Smartphone nach einer Spannung von 5 Volt verlangt. Dazu muss unsere Akkuspannung der Powerbank also von nominal 3,7 Volt auf eine Ausgangsspannung von 5 V am USB-Port der Powerbank gewandelt werden. Diese Wandlung kostet Energie, da ein gewisser Teil der Energie im Wandler in Wärme umgewandelt wird und somit nicht mehr für die Ladung des Telefons zur Verfügung steht.USB Smartphone Akku ladenAuf der anderen Seite, also am Smartphone, nimmt die Ladelektronik des Gerätes die 5 Volt Eingangsspannung entgegen und wandelt diese wieder auf ein niedrigeres Spannungsniveau, entsprechend dem Ladestand des Akkus. Auch bei dieser Wandlung geht Energie verloren.

Bei dieser Ladekette sind Verluste von circa 20 – 30 % (je nach Qualität der verbauten Spannungswandler in Telefon und Powerbank) üblich. Es geht euch also gut ein Fünftel der Energie beim Laden als Wärme verloren, die ihr zuvor in die Powerbank hineingeladen habt. Somit werden aus unseren ehemals 37 Wh ganz schnell:

37 Wh * (1 – 0,3) = 25,9 Wh

Unser iPhone 5S lässt sich plötzlich nun nur noch:

25,9 Wh / 5,92 Wh = 4,4 Mal

über die Power-Bank aufladen. Kalkulieren wir noch ein, dass die Powerbank auch irgendwann abschaltet, bevor der verbaute Akku Schaden nimmt, landen wir bei realistischen 4 Ladezyklen mit einer Powerbank für unser iPhone 5S. Das ist schon ein ganzes Stück von den ausgangs angenommenen 6,4 Ladungen weg.

Das Spiel mit den Werten

Beim Kauf der richtigen Powerbank kommt es also immer darauf an, welche Energiemenge die Powerbank speichern kann. Die oben überschlagenen 4,4 Zyklen lassen sich auch genauer bestimmen, in dem man die verfügbare Kapazität der eigenen Powerbank bei der USB-Spannung von 5 Volt bestimmt. Dabei gehen wir wieder von 37 Wh aus und teilen diese durch die gewandelte Spannung von 5V:

(37 Wh * 1000 mW/W) / 5 V = 7.400 mAh

Diese Kapazität (7.400 mAh) stellt unsere Powerbank bei 5 Volt bereit. Der einzig interessante Wert, da das Smartphone ja 5 V zum Aufladen verlangt.

Nehmen wir nun die Kapazität unseres Smartphone-Akkus von 1.560 mAh mit in die Überlegungen auf (normiert auf 5 V), so leistet die Powerbank theoretisch:

7.400 mAh / (1.560 mAh * 3,8 V / 5 V)= 6,25 Zyklen

Davon müssen wir noch ungefähr 15 % Restkapazität abziehen sowie den Leistungsverlusten bei der Spannungswandlung mit circa 15 % gerecht werden und kommen damit erneut auf circa:

(7.400 mAh * (1-0,15)) / (1.560 mAh * 3,8 V / 5 V) = 5,3 Zyklen – unter Beachtung der Restkapazität

Unter Beachtung der Verluste bei der Wandlung:

5,3 Zyklen * (1 – 0,15) = 4,5 Zyklen.

Viele Hersteller geben jedoch beispielsweise 5 V / 10.000 mAh / 37 Wh in der Produktbeschreibung an. Auf den ersten Blick könnte man denken, die Powerbank bietet eine nutzbare Kapazität von 10.000 mAh bei 5V. Die Wattstundenangabe verrät dem Wissenden aber, hier steckt ein 3,7 Volt Akku drin und die Spannung muss gewandelt werden, wodurch „echte“ Kapazität des beworbenen Produktes direkt um einen nicht zu vernachlässigenden Bruchteil sinkt.

Schlusswort

Der Kauf einer Powerbank ist nicht so einfach, wie viele denken. Zumindest dann nicht, wenn die Powerbank die Erwartungen erfüllen soll, die der Käufer an das Produkt stellt.

Um euch ein realistisches Bild darüber zu machen, wie oft ihr euer Smartphone oder Tablet mit einer bestimmten Powerbank unabhängig von der Steckdose wiederaufladen könnt, müsst ihr nur wenige Werte kennen:

Diese Werte lassen sich leicht im Netz recherchieren. Generell ist aber darauf zu achte, keine all zu billige Powerbank zu kaufen. Denn ein Großteil der Kosten eines solchen mobilen Akkus finden sich in den Akkuzellen wieder und hier gilt nach wie vor: Qualität hat ihren Preis. Wer also ein wenig mehr investiert, kriegt im Regelfall auch die Powerbank mit dem besseren integrierten Akku. Das kann sich in schnelleren Ladeströmen, besserer Performance bei niedrigen Temperaturen oder generell einer höheren Zyklenfestigkeit äußern. Dies sind alles Bereiche in denen billige Zellen schnell versagen.

Wie nun das Marketing vieler Hersteller in Bezug auf die Kapazität zu bewerten ist, bleibt ein zweischneidiges Schwert. Zum einen ist natürlich nicht daran zu rütteln, wenn die korrekte Energiemenge des verbauten Akkus angegeben wird. Ob es fair ist, unwissende Kunden mit großen mAh-Zahlen zu locken, steht auf einem anderen Blatt.

Wichtig ist, dass ihr mitnehmt, dass es nicht alleine auf die angegebene Kapazität der Powerbank ankommt. Alleine mit diesem Wert lässt sich nicht genau sagen, wie oft sich euer Smartphone wieder aufladen lässt.

Ihr habt euere Powerbank zu Hause liegen lassen? In unserem Smartphone-Akku-Artikel zeigen wir euch, welche Apps besonders viel Strom fressen. Außerdem haben wir einen Leitfaden zusammengestellt, mit dem eurem Akku ein langes Leben bevorsteht.


Nils Waldmann Nils Waldmann

...ist seit über 16 Jahren bei Allround-PC.com und als Redakteur und technischer Leiter tätig. In seiner Freizeit bastelt und konstruiert Nils gerne flugfähige Modelle und ist mit der Drohne unterwegs.

^