Акумулятори в мобільних телефонах: виклики та технології

У світі більше мобільних телефонів, ніж людей. Жоден інший продукт не злетів так швидко — швидше, ніж автомобіль, телевізор, ПК та Інтернет. Пройшовши шлях від незграбної та дорогої коробки 1990-х років до елегантного пристрою з сенсорним екраном, мобільний телефон все ще має один проблемний компонент: акумулятор. Удосконалення не відбуваються так швидко, як інші розробки, і заслуга за тривалий час роботи здебільшого належить досягненням в електроніці, програмному забезпеченні та інфраструктурі.

Ключові вимоги до акумулятора

Акумулятор мобільного телефону повинен відповідати двом вимогам: висока питома енергія (ємність) та висока питома потужність. Ємність стосується накопичення енергії (А·год), аналогічно воді в пляшці; питома потужність відображає здатність подавати струм (А), що відповідає отвору пляшки. На рисунку 1 цей зв'язок демонструється на прикладі пляшки з водою.

Рисунок 1: Зв'язок між питомою енергією та питомою потужністю.

Акумулятор мобільного телефону потребує високої ємності та досить хорошої питомої потужності. Це дві унікальні характеристики, які неможливо поєднати в одному продукті без компромісів. Аналогію можна знайти з політичними партіями, які переслідують різні цілі та повинні йти на компроміс. В акумуляторі питома енергія відповідає за час роботи, а питома потужність – за струм.

Це дві унікальні характеристики, які неможливо поєднати в одному продукті без компромісів. В акумуляторі питома енергія відповідає за час роботи, а питома потужність – за струм. Ранні літій-іонні акумулятори 1990-х років були крихкими та непридатними для високих навантажень. Це затримало їх використання в електроінструментах та електромобілях, де панували нікель-кадмієві, а пізніше нікель-металгідридні акумулятори. Сьогодні літієві системи стоять пліч-о-пліч з нікелевими та свинцевими, завдяки розробці двох типів: Energy Cell та Power Cell.

Energy Cell: Максимальний час роботи

Літій-іонний акумулятор має високу ємність в ампер-годинах (А·год) для тривалого часу роботи, і Panasonic NCR18650B, зображений на рисунку 2, є саме таким продуктом. Цей акумулятор забезпечує ємність 3200 мА·год при розряді струмом 0,5°C або 1,6 А. Акумулятор є делікатним, оскільки ємність зменшується до 2300 мА·год при розряді струмом 2°C або 6,4 А. Для аналізу кінцева напруга заряду встановлена ​​на рівні 3,0 В; гранична напруга позначена червоним колом. (Ампер-години для менших акумуляторів зазвичай вказуються в міліампер-годинах (мА·год).

Гранична напруга розряду для багатьох пристроїв, включаючи мобільний телефон, часто перевищує задані 3,0 В; поширеним є значення 3,3 В. Це зменшує корисну ємність, особливо при розряді високим струмом. У багатьох мобільних телефонах 3,3 В означає нульовий заряд. Деякі телефони можуть продовжувати працювати, інші ж можуть закрити магазин. Відновлення напруги може дозволити короткочасне використання після відпочинку або під час нагрівання телефону.

Рисунок 2: Розрядка акумулятора

Енергетичний елемент не слід швидко заряджати зі швидкістю, що перевищує 1C, для досягнення зазначеної кількості циклів рекомендується заряджати струмом 0,8C або менше. Навантаження вище 1C також збільшує навантаження, що відображається на скороченні терміну служби. Цей елемент ідеально підходить для портативних комп'ютерів та мобільних телефонів з легким або помірним навантаженням, що вимагає тривалого часу роботи.

Power Cell: Висока потужність

Елемент живлення Panasonic UR18650RX на рисунку 3 має ємність на 40% меншу, ніж у енергетичного елемента, але має чудові навантажувальні можливості. Розряд 10 А (5 C) має мінімальні втрати ємності при відрізанні 3,0 В. Цей елемент добре працює для застосувань, що потребують високого струму навантаження, таких як електроінструменти.

Рисунок 3: Розрядка акумуляторної батареї ємністю 1950 мАг.

Важливо: ніколи не заряджайте літій-іонні акумулятори при температурі нижче нуля, оскільки це призводить до утворення металевого літію, що може загрожувати безпеці акумулятора.

Додатковими перевагами Power Cell над Energy Cell є швидший час заряджання та покращена продуктивність за низьких температур. Усі акумулятори втрачають продуктивність при низьких температурах, але Li-ion Power Cell долає це, забезпечуючи 92% ємності при 0°C (32°F) та 80% при –20°C (4°F). Для порівняння, Energy Cell падає до 83% при 0°C (32°F) та 53% при –20°C (4°F). Ніколи не заряджайте Li-ion нижче нуля, оскільки це призводить до покриття металевим літієм. Це може залишитися непоміченим, але може поставити під загрозу безпеку акумулятора.

Power Cell досягає чудової продуктивності частково завдяки оптимізації площі поверхні активних матеріалів, щоб забезпечити високий струм при мінімальному підвищенні температури. Акумулятори для мобільних телефонів схрещуються для досягнення тривалого часу роботи та забезпечення необхідної здатності заряджання під час активного використання.

Споживання енергії та особливості смартфонів

Однією з головних переваг акумулятора мобільного телефону порівняно з іншими пристроями є використання одного літій-іонного елемента. Це спрощує схему безпеки та не вимагає підбору елементів, як це необхідно для багатоелементних акумуляторів. Однак це відкриває можливості для ширших допусків продуктивності. Більшість користувачів не помітять дещо коротшого часу роботи акумулятора, який знаходиться на нижній межі кривої дзвоноподібної напруги.

Мобільні телефони мають вбудовану функцію старіння, щоб спонукати продавати нову модель, коли акумулятор розряджається або скло тріскається. Інші продукти мають суворіші вимоги щодо довговічності акумулятора, і електромобіль є прикладом цього. На акумулятори електромобілів надається гарантія вісім років, вартість заміни така ж, як і у звичайного економ-автомобіля. Виробники можуть створювати акумулятори, які довговічні, і значною мірою це досягається шляхом уникнення повних зарядів та повних розрядів.

Мобільні телефони виготовляються у великих кількостях та постачаються з індивідуальними акумуляторами. Стандартні розміри не застосовуються. Через обмеження розміру найчастіше вибирають призматичні або кішечні. Популярний елемент 18650 знаходить застосування в електроінструментах, медичних інструментах, електровелосипедах та деяких електромобілях.

Коли рівень заряду (SoC) знижується, а мобільний телефон наближається до напруги відсікання, яка становить від 3,2 до 3,5 В, внутрішній опір акумулятора зростає. Це призводить до подальшого падіння напруги. Струм навантаження на смартфон коливається від 0,6 до 1,9 А. Хоча розмови можуть бути можливими навіть при низькому заряді поблизу вежі, GPS та складні обчислювальні функції потребують вищого робочого струму, і телефон може відключитися. Доступ до вежі в периферійній зоні також вимагає більше енергії, ніж перебування в зоні дії мережі. Яскравий дисплей також споживає енергію. У таблиці 4 оцінюється типове споживання струму сучасним смартфоном.

Тестування акумуляторів мобільних телефонів

Ємність є головним показником стану батареї. Підвищений внутрішній опір також є причиною відмови, але це трапляється рідше. Для оцінки стану здоров'я (SoH) батареї можна використовувати кілька методів.

Кулонівський підрахунок спостерігає за вхідними та вихідними струмами батареї. Ця теорія сягає 250 років тому, коли Шарль-Огюстен де Кулон встановив «правило Кулона», яке прирівнює один ампер (1 А) за секунду до одного кулона. Кулонівський підрахунок вимірює запас енергії та має давати справедливу оцінку вмісту. Цей метод має бути бездоганним, але має недоліки. Енергія, що витягується з батареї, завжди менша за ту, що вводиться. Помилки відстеження виникають через випадкове використання, яке накопичується з часом. Кулонівський підрахунок працює найкраще, коли телефону дозволяють періодично розряджатися для проведення калібрування.

Існують додатки для перевірки SoH батареї в мобільних телефонах та ноутбуках. Це вимагає вимірювання струму, і не всі мобільні телефони мають цю функцію. Експерти, які досліджують метод додатків, натякають на неточності. Компанія Cadex дослідила 20 акумуляторів, які пройшли тестування за допомогою застосунку, що продавався як комерційний продукт, як «хороші». Тестуючи ці акумулятори з повним циклом розрядки/розрядки, аналізатор акумуляторів виявив ємність у діапазоні від 57 до 86% з внутрішнім опором, що коливається від 155 до 368 мОм. З порогом проходження/непроходження ємності, встановленим на 80%, та внутрішнім опором на 200 мОм, лише 5 з цих 20 акумуляторів підлягають повторному використанню.

Деякі виробники мобільних телефонів включають програмні інструменти, які оцінюють рівень заряду акумулятора (SoH), але показники не доступні широкому загалу та доступні лише уповноваженому персоналу за допомогою коду безпеки. Це робиться не просто так. Надання користувачам показників ємності може призвести до високих гарантійних претензій, особливо якщо телефони не калібровані, а показники спотворені. Заміна обов'язкова лише в тому випадку, якщо ємність акумулятора падає нижче 80 відсотків. Приховування доказів найменш руйнівно.

Найнадійнішим методом перевірки акумулятора є застосування повного циклу розрядки. Хоча це займає багато часу, деякі ремонтні майстерні застосовують цей метод, щоб отримати точні показники з друкованим звітом про продуктивність. З автоматизованими аналізаторами акумуляторів єдиною робочою силою є заправка станцій, а пропускна здатність висока. Магазини та невеликі сервісні центри віддають перевагу швидким методам тестування, які дають досить точні результати лише за кілька хвилин. Швидке тестування робить знімок «хімічного акумулятора», а не покладається на «цифровий акумулятор», який часто пов'язаний з помилками відстеження.

Більшість смартфонів більше не надають доступу до акумулятора, але сервісні центри та ремонтні майстерні все ще повинні їх перевіряти. Це можна зробити, відкривши пристрої та підключивши мініатюрні роз'єми до інтерфейсу FlexStrip, що надається аналізатором акумулятора. Така робота більше не виконується в магазині, а кваліфікованими техніками в сервісному середовищі.