Сайт Юрия Макарова

   

 

О зарядке батареи смартфона

 

Несмотря на большое количество обзоров про автономность мобильной электроники, довольно часто они носят поверхностный характер. Надеюсь, эта статья поможет ответить на многие вопросы.


 

Для начала разберёмся, как работает литий-ионный аккумулятор. В упрощённом виде он состоит из двух электродов: анода и катода, помещённых в электролит. Во время зарядки электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду, за счёт чего между ними образуется разность потенциалов в виде напряжения. Скапливаясь на аноде в максимальном количестве у полностью заряженной батареи, ионы лития создают тем самым запас энергии. Во время разряда ионы лития движутся в обратном направлении, и разность потенциалов падает. Под воздействием химических реакций электроды со временем разрушаются и постепенно теряют способность притягивать достаточное количество ионов лития, вследствие чего батарея необратимо теряет объём запасаемой энергии. Вот как выглядит типичный график зарядки.

 

 

Цифры эти приблизительные, и у батарей разных типов они могут отличаться друг от друга. Если ёмкость батареи (пунктирная линия) ниже 60%, зарядка начинается с максимального значения тока постоянной величины. Низкое напряжение батареи, вплоть до 4 В, вызывает минимальные изменения в структуре электродов при взаимодействии их с электролитом, и благоприятно сказывается на сроке эксплуатации. Поэтому количество зарядных циклов, обеспечивающих длительное время разряда, здесь может быть больше. Выше ёмкости 60% зарядное напряжение постепенно растёт до своего максимального значения, после чего зарядный ток начинает плавно снижаться обратно пропорционально величине роста ёмкости, вместе с которой растёт напряжение батареи (не путать с зарядным напряжением), поднимаясь до критически высоких значений. В «красной» зоне это вызывает быстрое изменение кристаллической структуры катода, выполненного из оксида лития, и повышенное окисление его алюминиевого токосъёмника, что приводит к уменьшению количества зарядных циклов с длительным временем разряда.

На поверхности графитового анода, вступающего в реакцию с электролитом, образуется пористый защитный слой, который называется твёрдым электролитным интерфейсом. При глубоком разряде или повышенной температуре этот слой частично растворяется в электролите, что приводит к потере электропроводности. Когда параметры эксплуатации снова приходят в норму, защитный слой восстанавливается, но количество лития в катоде при этом уменьшается и конечная ёмкость батареи падает. Так перегрев и низкий заряд влияют на сокращение срока её службы.

Основная часть быстрой зарядки проходит в «зелёной» зоне при повышенном зарядном напряжении и токе. Но напряжение самой батареи не выйдет за пределы нормы, пока её ёмкость не превысит 80%, выше которой зарядка продолжается обычным способом. И всё бы ничего, но батарея при этом сильно нагревается, поскольку её внутреннее сопротивление при увеличенном токе зарядки рассеивает большую мощность, что сокращает срок её службы. Если во время зарядки играть в игры и смотреть видео, то за счёт дополнительного тока разряда возникает паразитная нагрузка, которая искажает цикл зарядки и может вызывать мини-циклы. Даже простое включение дисплея во время зарядки уже вызывает мини-цикл, т.к. основная доля потребления тока приходится именно на дисплей. Современные батареи достаточно надёжны, и ухудшение работы будет заметно не сразу, но нужно иметь в виду, что для продления срока их службы быстрой зарядки и паразитных нагрузок следует избегать.

 

Время, мин.

Проводная зарядка

Беспроводная зарядка

Заряд, % Температура батареи, °C Заряд, % Температура батареи, °C
0 47 26,6 47 25,8
5 53 29,0 50 29,0
10 59 30,4 53 30,9
15 65 31,5 57 32,3
20 71 32,4 60 33,4
25 76 32,6 63 34,3
30 81 32,2 66 34,9
35 84 31,6 69 35,6
40 87 30,9 72 36,1
45 89 30,3 75 36,3
50 92 29,8 78 36,4
55 95 29,4 81 36,6
60 97 29,1 84 36,8
Быстрая зарядка в обоих случаях отключена

 

Из этой таблицы видно, что заряд стартует с практически одинаковых значений ёмкости батареи и её температуры. Проводная зарядка идёт быстрее при меньшей температуре, которая после 80% заряда начинает падать. Это подтверждает данные верхнего графика, когда в этой точке зарядное напряжение перестаёт расти, а зарядный ток постепенно уменьшается. У беспроводной зарядки за счёт относительно низкого КПД часть энергии уходит на нагрев индукционных катушек, а следовательно и батареи, что приводит к увеличению времени полного заряда и сокращению срока службы.

Существует спорное мнение по поводу того, можно ли оставлять смартфон заряжаться на всю ночь. В идеале контроллер защиты должен автоматически отключать цепь питания по достижении 100% заряда. Сегодня пользователи часто меняют телефоны, и из-за снижения себестоимости своей продукции некоторые производители не делают ставку на долгий срок её эксплуатации и не устанавливают такие контроллеры в батарею. Поэтому полностью заряженный телефон может потреблять ток от 0,2 до 0,5 А даже в выключенном состоянии. Когда напряжение аккумулятора поддерживается на критически высоком уровне, это создает избыточное тепло из-за холостого рассеивания мощности. На нижней картинке амперметр в виде USB-ключа, через который подключено зарядное устройство, показывает потребляемый ток 0,2 А при заряженной на 100% батарее.

 

 

Чтобы иметь представление о том, в какой степени разряд влияет на срок службы батареи, достаточно взглянуть на типичную таблицу разряда, в разных вариантах которой цифры могут немного отличаться, но это не принципиально. Из неё можно извлечь информации гораздо больше, чем кажется на первый взгляд.

 

Глубина разряда, %

Количество циклов разряда

100 500
50 1500
25 2500
10 4700

 

Под глубиной разряда имеется в виду значение, на которое батарея потеряла свою текущую ёмкость. Но более наглядное представление о долговечности даёт не само количество циклов, а их отношение к минимальному значению 500. Например, разряжая батарею не более чем на 50%, вы тем самым продлеваете ей жизнь как минимум втрое при тех же нагрузках. Обратите внимание: пока речь идёт только о разряде, - о заряде мы поговорим позже. Взяв за основу эти данные, в программе Advanced Grapher можно построить график, для чего нужно ввести соответствующие значения для осей X и Y. По четырём опорным точкам программа автоматически рассчитывает кривую зависимости с достаточно высокой точностью.

 

 

 

С технической точки зрения не существует такого параметра, как количество циклов разряда, и никто их не считает. Это условная величина, позволяющая дать косвенную оценку текущей деградации электродов батареи. Но глядя на график, можно смоделировать процесс старения аккумулятора, измерив разовую необратимую потерю его ёмкости при заряде до полного значения для каждой конкретной глубины разряда. Рассчитывается она следующим образом. Глубина разряда делится на количество заявленных циклов, и полученный результат делится на коэффициент разряда. Например, глубина разряда 25% соответствует коэффициенту разряда 0,25, тогда (25/2500)/0,25=0,04. В данном случае необратимая потеря ёмкости составляет 0,04% от всего физического ресурса батареи. Проверяем: 100/0,04=2500. То же самое делаем для других значений разряда.

(100/500)/1=0,2  Проверяем: 100/0,2=500
(50/1500)/0,5=0,0666666666666667  Проверяем: 100/0,0666666666666667=1500
(10/4700)/0,1=0,0212765957446809  Проверяем: 100/0,0212765957446809=4700

Итак, мы зафиксировали очень важную величину, которая отражает реальные химические процессы, происходящие в батарее. Чтобы найти формулу разряда для расчёта любой точки на графике в удобной для нас форме, в программе Advanced Grapher в меню Графики выбираем пункт: Добавить график таблицы, и для оси X вместо глубины разряда указываем опорные значения фактической ёмкости батареи, а для оси Y - рассчитанные выше проценты. Далее в меню Вычисления выбираем пункт Регрессивный анализ, и в появившемся окне видим нашу формулу, которую уже можно скопировать. Только надо иметь в виду, что в программе Advanced Grapher в качестве разделительного знака ставится точка, а в программе Excel, в которой удобно делать вычисления, ставится запятая.

 

 

-(2,8747044*10^(-7))*x^3+(5,7267138*10^(-5))*x^2-0,0048113*x+0,2

Если вместо переменной x подставить любую величину заряда от 0 до 100%, то мы получим процент необратимой потери ресурса батареи в этой точке. Например, если разрядить телефон до 0% и полностью его зарядить, то ресурс уменьшится на 0,2%, а если разрядить до 50%, то заряжать его придётся вдвое чаще и суммарная потеря составит 0,067*2=0,134%. Это в полтора раза меньше при одинаковом времени работы. Как мы видим, это значение уже отличается от таблицы разряда, в которой заявлена трёхкратная разница. И здесь пришло время поговорить о заряде, который тоже влияет на конечный результат. Давайте попробуем посчитать коэффициент долговечности батареи с учётом реального количества зарядок. За единицу примем максимальное разовое падение 0,2%. Для этого нужно найти коэффициент количества зарядок, эквивалентный одинаковому времени работы при неизменной нагрузке. Очевидно, он будет равен 1/((100-x)/100), где x - начальная ёмкость зарядки. Тогда для 0% это будет 1 полная зарядка, для 50% - 2 неполных зарядки, для 90% - 10 совсем маленьких зарядок, и т.д. В этом случае формула относительной долговечности батареи будет иметь следующий вид: A/(B*C), где A - максимальное значение разовой потери ресурса, которое всегда равно 0,2, B - потеря ресурса при определённом % заряда, C - коэффициент количества зарядок. Для наглядности все значения таблицы в последнем знаке округлены к ближайшему целому.

 

% начала зарядки

Потеря ресурса, %

Зарядок

Долговечность

90 0,021 10 0,94
80 0,034 5 1,16
70 0,045 3,33 1,33
60 0,056 2,5 1,44
50 0,067 2 1,5
40 0,081 1,67 1,48
30 0,099 1,43 1,41
20 0,124 1,25 1,29
10 0,157 1,11 1,14
0 0,2 1 1
Пример 1: 0,2/(0,081*1,67)=1,48    Пример 2: 0,2/(0,045*3,33)=1,33

 

Самым оптимальным с точки зрения долговечности оказался режим разряда до 50%. И хотя при меньших значениях разряда краткосрочные потери ресурса батареи будут меньше, за счёт более частых зарядок для сохранения того же времени работы суммарные потери в перспективе увеличиваются, а срок службы может даже сократиться. Но если измерить коэффициент долговечности с шагом заряда в 1% и с точностью до пяти знаков после запятой, то самым оптимальным будет разряд до 47%, который составляет 1,50299 против 1,49995 при разряде до 50%. В основе этих расчётов лежит формула разряда, которая позволяет использовать ресурс батареи по максимуму.

Согласно исследованиям сайта Battery University, каждое снижение максимального напряжения батареи на 0,1 В удваивает срок её службы, при том что каждое падение напряжения на 0,07 В соответствует снижению ёмкости примерно на 10%. Тогда при снижении максимального порога ёмкости на (0,1*10)/0,07=14,2857% (примерно до 86%) полученный в таблице коэффициент долговечности можно умножить на 2, при снижении на (0,2*10)/0,07=28,5714% умножаем его на 4, а при снижении на 0% это будет 1. Для расчёта поправки для верхнего предела зарядки забиваем  в программу Advanced Grapher значения 0, 14.2857 и 28.5714 для оси X и 1, 2, 4 для оси Y, получаем формулу 1*1.0497167^h, где h - это процент снижения ёмкости зарядки от максимальной. Таким образом, нашу формулу можно модифицировать следующим образом:

(-(2,8747044*10^(-7))*x^3+(5,7267138*10^(-5))*x^2-0,0048113*x+0,2)/(1*1,0497167^(100-h))

В программе Excel вместо переменной x даём ссылку на ячейку с начальной ёмкостью зарядки, а вместо h - на ячейку с конечной ёмкостью. Получаем процент разовой необратимой потери ёмкости, который учитывает реальную картину нагрузок в батарее при любом режиме эксплуатации. Если вести статистику с момента покупки телефона, суммируя процент потери при каждой зарядке, то можно спрогнозировать оставшееся среднестатистическое время до замены аккумулятора с точностью, которое не даст вам ни одно приложение. У меня после года использования получился результат, очень близкий к тому, который фирма-производитель указывала в своих пресс-релизах, но сам я тогда в это не верил.

Допустим, вы заряжаете новую батарею от 50 до 80% по три раза в день. Теоретически её конечная ёмкость ежедневно будет уменьшаться на 0,0757%, и тогда её должно хватить на 100/0,0757=1321 день работы. Но для учёта нелинейной регрессии, когда со временем заряжать телефон придётся всё чаще и чаще, делаем поправку на экспоненту: 0,0757*EXP(0,0757)=0,0818% в день. Тогда её хватит примерно на 1223 дня работы, или 3 года и 4 месяца без учёта температурных колебаний. При ежедневной однократной зарядке от 10 до 100%, что эквивалентно проценту заряда для того же времени работы в течении дня, с учётом нелинейной регрессии батареи едва хватит на полтора года.

Суммируя всё вышеизложенное, можно подвести итог. Чем выше ёмкость аккумулятора, тем реже его придётся заряжать, а значит и прослужит он дольше. Тип дисплея также играет немалую роль: IPS матрицы потребляют примерно вдвое больший ток, чем AMOLED, и ёмкий аккумулятор для них не роскошь, а суровая необходимость. Но со временем любая батарея теряет часть своей ёмкости, поэтому разряжаться и заряжаться будет быстрее. Заряжать батарею так, как вам удобно, не думая ни о каких циклах, лучше в диапазоне от 50 до 80%, отклонения от которого сокращают срок её службы. То же самое происходит при высоких и низких температурах, постоянной длительной или быстрой зарядке, а также при использовании телефона во время зарядки. Раз в несколько месяцев желательно полностью разрядить и зарядить телефон для сброса ошибки калибровки, за что придётся заплатить небольшой потерей ресурса. В электролит новой батареи иногда добавляют ингибитор, который замедляет химические процессы и продлевает предпродажный период, но уменьшает ёмкость. 2-3 полных цикла заряд-разряд в самом начале эксплуатации разрушают ингибитор и нормализуют все характеристики. Этот процесс называют «тренировкой» аккумулятора, и им не стоит пренебрегать.