Сайт Юрия Макарова

   

 

О зарядке батареи смартфона

 

Сложность современной электроники привела к появлению несъёмных батарей, что лишает пользователей возможности самостоятельной их замены. В этой статье рассматриваются способы продления срока службы аккумулятора.


 

В упрощённом виде литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов, помещённых в электролит, - анода и катода. 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 утрачивают 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 ускоренное 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 потенциальная зарядная ёмкость падает. Из нижней таблицы видно, как глубина разряда влияет на срок службы батареи.

 

Глубина разряда, %

Количество циклов разряда

10 4700
25 2500
50 1500
100 500

 

В программе Advanced Grapher построим график разряда, для чего введём значения таблицы для осей X и Y. По четырём опорным точкам программа рассчитает кривую зависимости.

 

 

 

 

И хотя глубина разряда и степень заряда могут сильно отличаться от одной зарядки к другой, и подсчитать их оставшееся количество довольно трудно, можно смоделировать процесс старения аккумулятора, измерив разовую необратимую потерю его ёмкости для любой полной зарядки. 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. Т.е. при зарядке от 75 до 100% необратимая потеря ёмкости составит 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=0,0666667. Проверяем: 100/0,0666667=1500
(10/4700)/0,1=0,0212766. Проверяем: 100/0,0212766=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 значения фактической ёмкости батареи, а для оси Y - рассчитанные выше проценты.

 

 

 

 

Далее в меню Вычисления выбираем пункт Регрессионный 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 значение ёмкости батареи на момент начала зарядки, то мы получим процент необратимой потери ресурса при зарядке до 100%. Например, при разряде до 0%, т.е. если x=0, конечный ресурс аккумулятора уменьшится на 0,2%. При разряде до 50% заряжать придётся вдвое чаще, и суммарная потеря составит 0,067*2=0,134%, что в полтора раза меньше при одинаковом времени работы.

Давайте теперь подсчитаем коэффициент долговечности батареи с учётом реального количества зарядок для обеспечения одинакового времени работы при любой глубине разряда. Коэффициент количества зарядок при этом 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. Если за единицу принять максимальное разовое падение 0,2%, то формула относительной долговечности батареи будет иметь вид 0,2/(A*B), где A - потеря ресурса при определённой глубине разряда, B - соответствующий ей коэффициент количества зарядок. Для наглядности все значения таблицы в последнем знаке округлены к ближайшему целому.

 

Начало 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%, который за счёт равноудалённости от глубокого разряда и перезаряда обеспечивает минимальную потерю ресурса аккумулятора на единицу полного зарядного цикла. Но если измерить коэффициент долговечности с шагом заряда в 1% и с точностью до пяти знаков после запятой, то при разряде до 47% (глубина разряда 53%) он примет максимальное значение 1,50299 против 1,49995 при разряде до 50%. Взяв за основу данные таблицы, построим график, который наглядно показывает наилучший нижний предел зарядки.

 

 

 

 

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 выше коэффициент долговечности можно умножить на 2, при снижении на (0,2*10)/0,07=28,5714% умножаем его на 4, а при зарядке до полного значения ёмкости это будет 1. Для расчёта поправки для верхнего предела зарядки вводим 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 при любом режиме эксплуатации. Допустим, вы заряжаете новую батарею от 50 до 80% по три раза в день. Теоретически её конечная ёмкость ежедневно будет снижаться на 0,0757%, и тогда её должно хватить на 100/0,0757=1321 день работы. Для учёта нелинейной регрессии, когда со временем заряжать телефон придётся всё чаще, делаем поправку на экспоненту: 0,0757*EXP(0,0757)=0,0818% в день. Тогда без учёта температурных колебаний её хватит примерно на 1223 дня работы, или 3 года и 4 месяца. При ежедневной однократной зарядке от 10 до 100%, что эквивалентно зарядной ёмкости для обеспечения того же времени работы в течении дня ((80-50)*3=(100-10)), с учётом нелинейной регрессии батареи едва хватит на полтора года. При полных циклах заряд-разряд не менее 1 раза в день срок эксплуатации не превысит 1 года и полутора месяцев. Эти цифры почти совпадают с подсказками в меню телефона, а значит все наши расчёты правильные.

 

 

 

 

Используя нашу формулу, построим график разряда батареи с учётом разной степени её конечной зарядки. При условном количестве циклов разряда 2000 (см. нижний рисунок), заряженной на 100% батарее соответствует разряд лишь на 35% (до 65%), для 90 и 80% заряда это будет разряд на 62 и 86% соответственно (до 38 и 14%). Тогда относительный срок службы батареи с одинаковым конечным износом в этих случаях составит: 100-65=35%, 90-38=52%, и 80-14=66%. Ежедневный проигрыш по времени работы на одной зарядке оборачивается выигрышем в долгосрочной перспективе, и наоборот.

 

 

 

 

 

Для оценки влияния разных типов зарядки на долговечность батареи я измерял её температуру и ёмкость при помощи виджета Battery Monitor через одинаковые промежутки времени в течении часа.

 

Время, мин.

Проводная зарядка

Беспроводная зарядка

Заряд, %

Температура, °C

Заряд, %

Температура, °C

0 47 / 47 26,6 / 26,3 47 / 47 26,2 / 26,1
5 53 / 54 29,0 / 29,4 51 / 51 29,2 / 31,0
10 59 / 61 30,4 / 31,3 54 / 55 31,1 / 33,9
15 65 / 68 31,5 / 32,7 57 / 59 32,7 / 35,9
20 71 / 74 32,4 / 33,5 60 / 63 33,8 / 37,3
25 76 / 79 32,6 / 33,1 64 / 66 34,6 / 37,0
30 81 / 84 32,2 / 32,6 67 / 68 35,3 / 36,0
35 84 / 87 31,6 / 32,1 70 / 72 35,9 / 37,7
40 87 / 90 30,9 / 31,7 74 / 75 36,5 / 36,7
45 89 / 92 30,3 / 31,3 77 / 77 36,8 / 36,9
50 92 / 94 29,8 / 30,9 80 / 81 37,0 / 37,7
55 95 / 96 29,4 / 30,7 83 / 83 37,1 / 36,4
60 97 / 98 29,1 / 30,4 86 / 86 37,3 / 37,3

Зарядка: обычная / быстрая

 

Зарядка стартует практически с одинаковых значений ёмкости и температуры. Проводная зарядка проходит быстрее. После определённого процента заряда температура начинает падать, что вызвано прекращением роста зарядного напряжения и падением зарядного тока (см. график в начале статьи). С другой стороны, при длительном просмотре видео, например, температура может подниматься до 33°C (при температуре окружающего воздуха около 24°C), что сопоставимо с температурой быстрой зарядки. То же самое происходит во время беспроводной передачи данных и использовании игр. Поэтому однозначно говорить о вреде быстрой зарядки я бы не стал, тем более что её максимальная температура далека от критического значения 45°C для литий-ионных батарей. Здесь критерием долговечности становится уже значение ёмкости и соответствующего ей напряжения, до которого заряжается батарея.

При беспроводной зарядке за счёт меньшего КПД часть энергии расходуется на нагрев индукционных катушек, что в условиях плотного монтажа и отсутствия вентиляции приводит к перегреву батареи. Для поддержания минимальной температуры зарядную мощность приходится ограничивать, и время зарядки увеличивается. Чтобы его сократить, во время быстрой беспроводной зарядки мощность динамически меняется, за счёт чего температура не поднимается выше 38°C. Это хорошо видно на нижнем графике. Вздутие несъёмной батареи почти наверняка привело бы к полному выходу телефона из строя, поэтому любые режимы зарядки проходят с достаточным запасом по температуре. Однако можно предположить, что беспроводная зарядка не самым лучшим образом влияет на долговечность аккумулятора, т.к. температура здесь уже ощутимо приближается к своему критическому значению.

Трёхмерный график для отображения температуры, ёмкости батареи и времени зарядки был бы не очень нагляден, поэтому я построил два отдельных графика, взяв за основу данные таблицы.

 

 

 

 

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 паразитных нагрузок лучше избегать.

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 многие производители не делают ставку на долгий срок эксплуатации своей техники, и могут не устанавливать такие контроллеры в батарею. Особенно это касается неоригинальных батарей сторонних производителей. Поэтому полностью заряженный телефон может потреблять ток от 0,2 до 0,5А даже в выключенном состоянии, что создает избыточное тепло за счёт холостого рассеивания мощности. Я уже не говорю о напряжении, которое поддерживается на критически высоком уровне, вызывая ускоренный износ электродов. На нижней картинке USB-тестер, через который подключено зарядное устройство, показывает потребляемый ток 0,2А при заряженной на 100% батарее, при этом дисплей у телефона выключен.

 

 

 

Суммируя всё вышеизложенное, можно подвести итог. Чем выше ёмкость аккумулятора, тем реже его придётся заряжать, а значит и прослужит он дольше. Но со временем любая батарея теряет часть своей ёмкости, поэтому разряжаться и заряжаться будет быстрее. Тип дисплея играет немалую роль: IPS матрицы потребляют примерно вдвое больший ток, чем AMOLED, и ёмкий аккумулятор для них не роскошь, а суровая необходимость. Во время установки приложений энергопотребление заметно увеличивается, что вызвано перезаписью ячеек флэш-памяти. Заряжать батарею так, как вам удобно, не думая ни о каких циклах, лучше в диапазоне примерно от 50 до 80%, выход из которого сокращает срок её службы в два-три раза. Чем более прожорлив ваш смартфон, тем большее значение имеет рекомендуемый интервал зарядной ёмкости.

Имеет смысл установить приложение, которое ограничивает верхний уровень зарядки, или оповещает о выходе ёмкости батареи за допустимые пределы, которые легко можно пропустить. В противном случае все усилия по оптимизации процессов заряда и разряда будут бесполезны. Но лучше, если такая функция когда-нибудь появится в прошивке. Раз в несколько месяцев желательно полностью разрядить и зарядить телефон для сброса ошибки калибровки, за что придётся заплатить увеличенной 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.