Аккумуляторы в мобильных телефонах: вызовы и технологии

В мире больше мобильных телефонов, чем людей. Ни один другой продукт не взлетел так быстро — быстрее, чем автомобиль, телевизор, ПК и Интернет. Пройдя путь от неуклюжей и дорогой коробки 1990-х годов до элегантного устройства с сенсорным экраном, мобильный телефон все еще имеет один проблемный компонент: аккумулятор. Усовершенствования происходят не так быстро, как другие разработки, и заслуга в длительном времени работы в основном принадлежит достижениям в электронике, программном обеспечении и инфраструктуре.

Ключевые требования к аккумулятору

Аккумулятор мобильного телефона должен соответствовать двум требованиям: высокая удельная энергия (ёмкость) и высокая удельная мощность. Ёмкость относится к накоплению энергии (А·ч), аналогично воде в бутылке; удельная мощность отражает способность подавать ток (А), что соответствует горлышку бутылки. На рисунке 1 эта связь демонстрируется на примере бутылки с водой.

Рисунок 1: Связь между удельной энергией и удельной мощностью.

Аккумулятор мобильного телефона требует высокой ёмкости и достаточно хорошей удельной мощности. Это две уникальные характеристики, которые невозможно объединить в одном продукте без компромиссов. Аналогию можно найти с политическими партиями, которые преследуют разные цели и должны идти на компромисс. В аккумуляторе удельная энергия отвечает за время работы, а удельная мощность – за ток.

Это две уникальные характеристики, которые невозможно объединить в одном продукте без компромиссов. В аккумуляторе удельная энергия отвечает за время работы, а удельная мощность – за ток. Ранние литий-ионные аккумуляторы 1990-х годов были хрупкими и непригодными для высоких нагрузок. Это задержало их использование в электроинструментах и электромобилях, где доминировали никель-кадмиевые, а позже никель-металлгидридные аккумуляторы. Сегодня литиевые системы стоят бок о бок с никелевыми и свинцовыми, благодаря разработке двух типов: Energy Cell и Power Cell.

Energy Cell: Максимальное время работы

Литий-ионный аккумулятор имеет высокую ёмкость в ампер-часах (А·ч) для длительного времени работы, и Panasonic NCR18650B, изображенный на рисунке 2, является именно таким продуктом. Этот аккумулятор обеспечивает ёмкость 3200 мА·ч при разряде током 0,5°C или 1,6 А. Аккумулятор является деликатным, поскольку ёмкость уменьшается до 2300 мА·ч при разряде током 2°C или 6,4 А. Для анализа конечное напряжение заряда установлено на уровне 3,0 В; предельное напряжение отмечено красным кругом. (Ампер-часы для меньших аккумуляторов обычно указываются в миллиампер-часах (мА·ч).

Предельное напряжение разряда для многих устройств, включая мобильный телефон, часто превышает заданные 3,0 В; распространенным является значение 3,3 В. Это уменьшает полезную ёмкость, особенно при разряде высоким током. Во многих мобильных телефонах 3,3 В означает нулевой заряд. Некоторые телефоны могут продолжать работать, другие же могут завершить работу. Восстановление напряжения может позволить кратковременное использование после отдыха или во время нагрева телефона.

Рисунок 2: Разрядка аккумулятора

Энергетический элемент не следует быстро заряжать со скоростью, превышающей 1C, для достижения указанного количества циклов рекомендуется заряжать током 0,8C или меньше. Нагрузка выше 1C также увеличивает нагрузку, что отражается на сокращении срока службы. Этот элемент идеально подходит для портативных компьютеров и мобильных телефонов с легкой или умеренной нагрузкой, требующей длительного времени работы.

Power Cell: Высокая мощность

Элемент питания Panasonic UR18650RX на рисунке 3 имеет ёмкость на 40% меньше, чем у энергетического элемента, но обладает превосходными нагрузочными возможностями. Разряд 10 А (5 C) имеет минимальные потери ёмкости при отсечке 3,0 В. Этот элемент хорошо работает для применений, требующих высокого тока нагрузки, таких как электроинструменты.

Рисунок 3: Разрядка аккумуляторной батареи ёмкостью 1950 мАч.

Важно: никогда не заряжайте литий-ионные аккумуляторы при температуре ниже нуля, поскольку это приводит к образованию металлического лития, что может угрожать безопасности аккумулятора.

Дополнительными преимуществами Power Cell над Energy Cell являются более быстрое время зарядки и улучшенная производительность при низких температурах. Все аккумуляторы теряют производительность при низких температурах, но Li-ion Power Cell справляется с этим, обеспечивая 92% ёмкости при 0°C (32°F) и 80% при –20°C (4°F). Для сравнения, Energy Cell падает до 83% при 0°C (32°F) и 53% при –20°C (4°F). Никогда не заряжайте Li-ion ниже нуля, так как это приводит к осаждению металлического лития. Это может остаться незамеченным, но может поставить под угрозу безопасность аккумулятора.

Power Cell достигает превосходной производительности частично благодаря оптимизации площади поверхности активных материалов, чтобы обеспечить высокий ток при минимальном повышении температуры. Аккумуляторы для мобильных телефонов являются гибридом для достижения длительного времени работы и обеспечения необходимой способности к зарядке во время активного использования.

Потребление энергии и особенности смартфонов

Одним из главных преимуществ аккумулятора мобильного телефона по сравнению с другими устройствами является использование одного литий-ионного элемента. Это упрощает схему безопасности и не требует подбора элементов, как это необходимо для многоэлементных аккумуляторов. Однако это открывает возможности для более широких допусков производительности. Большинство пользователей не заметят несколько более короткого времени работы аккумулятора, который находится на нижней границе колоколообразной кривой напряжения.

Мобильные телефоны имеют встроенную функцию старения, чтобы побудить к продаже новой модели, когда аккумулятор разряжается или стекло трескается. Другие продукты имеют более строгие требования к долговечности аккумулятора, и электромобиль является примером этого. На аккумуляторы электромобилей предоставляется гарантия восемь лет, стоимость замены такая же, как и у обычного эконом-автомобиля. Производители могут создавать долговечные аккумуляторы, и в значительной степени это достигается путем избегания полных зарядов и полных разрядов.

Мобильные телефоны производятся в больших количествах и поставляются с индивидуальными аккумуляторами. Стандартные размеры не применяются. Из-за ограничений по размеру чаще всего выбирают призматические или плоские (pouch). Популярный элемент 18650 находит применение в электроинструментах, медицинских инструментах, электровелосипедах и некоторых электромобилях.

Когда уровень заряда (SoC) снижается, а мобильный телефон приближается к напряжению отсечки, которое составляет от 3,2 до 3,5 В, внутреннее сопротивление аккумулятора растет. Это приводит к дальнейшему падению напряжения. Ток нагрузки на смартфон колеблется от 0,6 до 1,9 А. Хотя разговоры могут быть возможны даже при низком заряде вблизи вышки, GPS и сложные вычислительные функции требуют более высокого рабочего тока, и телефон может отключиться. Доступ к вышке в периферийной зоне также требует больше энергии, чем пребывание в зоне действия сети. Яркий дисплей также потребляет энергию. В таблице 4 оценивается типичное потребление тока современным смартфоном.

Тестирование аккумуляторов мобильных телефонов

Ёмкость является главным показателем состояния батареи. Повышенное внутреннее сопротивление также является причиной отказа, но это случается реже. Для оценки состояния здоровья (SoH) батареи можно использовать несколько методов.

Кулоновский подсчёт наблюдает за входящими и исходящими токами батареи. Эта теория восходит к 250-летней давности, когда Шарль-Огюстен де Кулон установил «закон Кулона», который приравнивает один ампер (1 А) в секунду к одному кулону. Кулоновский подсчёт измеряет запас энергии и должен давать справедливую оценку содержимого. Этот метод должен быть безупречным, но имеет недостатки. Энергия, извлекаемая из батареи, всегда меньше той, что вводится. Ошибки отслеживания возникают из-за случайного использования, которые накапливаются со временем. Кулоновский подсчёт работает лучше всего, когда телефону позволяют периодически разряжаться для проведения калибровки.

Существуют приложения для проверки SoH батареи в мобильных телефонах и ноутбуках. Это требует измерения тока, и не все мобильные телефоны имеют эту функцию. Эксперты, исследующие метод приложений, намекают на неточности. Компания Cadex исследовала 20 аккумуляторов, которые прошли тестирование с помощью приложения, продававшегося как коммерческий продукт, как «хорошие». Тестируя эти аккумуляторы с полным циклом разрядки/зарядки, анализатор аккумуляторов обнаружил ёмкость в диапазоне от 57 до 86% с внутренним сопротивлением, колеблющимся от 155 до 368 мОм. С порогом прохождения/непрохождения ёмкости, установленным на 80%, и внутренним сопротивлением на 200 мОм, только 5 из этих 20 аккумуляторов подлежат повторному использованию.

Некоторые производители мобильных телефонов включают программные инструменты, которые оценивают уровень заряда аккумулятора (SoH), но показатели не доступны широкой публике и доступны только уполномоченному персоналу с помощью кода безопасности. Это делается не просто так. Предоставление пользователям показателей ёмкости может привести к высоким гарантийным претензиям, особенно если телефоны не откалиброваны, а показатели искажены. Замена обязательна только в том случае, если ёмкость аккумулятора падает ниже 80 процентов. Сокрытие доказательств наименее разрушительно.

Самым надёжным методом проверки аккумулятора является применение полного цикла разрядки. Хотя это занимает много времени, некоторые ремонтные мастерские применяют этот метод, чтобы получить точные показатели с печатным отчетом о производительности. С автоматизированными анализаторами аккумуляторов единственной рабочей силой является заправка станций, а пропускная способность высока. Магазины и небольшие сервисные центры предпочитают быстрые методы тестирования, которые дают достаточно точные результаты всего за несколько минут. Быстрое тестирование делает снимок «химического аккумулятора», а не полагается на «цифровой аккумулятор», который часто связан с ошибками отслеживания.

Большинство смартфонов больше не предоставляют доступа к аккумулятору, но сервисные центры и ремонтные мастерские все еще должны их проверять. Это можно сделать, открыв устройства и подключив миниатюрные разъемы к интерфейсу FlexStrip, предоставляемому анализатором аккумулятора. Такая работа больше не выполняется в магазине, а квалифицированными техниками в сервисной среде.