涓流充電?UI 快充?談談手機充電過程

作者| l文先生l(酷友)

2019 年,是各家手機廠商快充突飛猛進的一年,40w、44w、50w,到 65w,功率越來越高;

2020 年,是各家手機廠商快充值得期待的一年,100w、120w,各家實驗室都在加速功率 “破百”。

涓流充電?UI 快充?談談手機充電過程

廠商的進步都非常明顯,不過快充帶來的一些疑慮還可以挖一挖。

過去,人們常說 xx 快充砍涓流、傷電池,而如今,有更多廠商開始了類似的行為;

人們發現,一些手機電量顯示 100%,並非真正充滿,而有些手機在報滿之後距離停充還有頗長的一段時間。

涓流充電?UI 快充?到底是指什麼,恐怕不少人只是人云亦云,並不知道這兩個詞語的真正含義。下面就讓我 “借題發揮”,解釋下充電的一些基本概念。


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才疏學淺,文中我的一些觀點可能存在疏漏之處,希望有人可以一起探討,謝謝!(反正最近閒著也是閒著,是吧)

涓流充電?UI 快充?談談手機充電過程


首先,什麼是涓流充電?

這需要解釋下充電流程。

手機電池大多是高壓電池,目前蘋果慣用電池是 4.35V 滿電,Android 廠家慣用電池是 4.4V 滿電。

電池就像一個水桶,在完全空掉時要防止過猛的流量把桶底充傷,低位時可以大流量充入,高位時又要小心流速,防止漲裂。所以充電過程就一個 先慢→再快→再慢 的過程。

充電過程就是根據電池電壓進行了劃分。常見的手機電池電壓可以從 2.8V 到 4.4V 變化,也對應著從過放到滿電的過程。

由於分類方式不同,充電過程會有不同的定義方式,我選擇了我熟悉的一種來介紹。主要是以下幾個階段:

涓流充電(trickle charge)→預充電(pre charge)→恆流充電(const current charge)→恆壓充電(const voltage charge)→充電終止(charge termination)

涓流充電: 在電池過放時(如 2.8V 以下)先進行恢復性充電,防止過高電流損壞電池。此時軟件並未啟動,是硬件控制的行為。

預充電: 電池電壓偏低(如 3.5V 以下),還未達到 kernel 啟動電壓,但可以加載 preloader、little kernel,此時由軟件控制,以小電流充電,依舊是防止過高電流損壞電池。

恆流充電 (CC): 此時 kernel 已經可以啟動,各項傳感器正常工作,可以以更大電流充電。以恆定電流充電,使電池電壓不斷提高。

恆壓充電 (CV): 當電池電壓達到滿電電壓(如 4.4V),此時充電電流逐漸降低,而電池電壓維持在滿電電壓不再升高。

充電終止: 降至截止電流時正式停充,充電過程結束。

以上五個階段構成了電量從過放到停充的過程。

需要注意的是,這種分類法中的 “涓流充電” 並不是現在人們常說的 “涓流充電”(似乎有些饒舌)本分類法中的涓流充電,是指過放後電池回到開機電壓前的一段充電過程。

人們常常提到的涓流充電,則是指充到 UI 顯示 100% 後,繼續充一段時間的充電過程。這在我介紹的分類法中,屬於恆壓充電的一部分。

TI 的分類方法又有細微差別:

涓流充電?UI 快充?談談手機充電過程

bq25970 的充電流程圖,圖源:Ti

涓流充電?UI 快充?談談手機充電過程

bq25970充電系統 充電系統工作狀態的總結,圖源:Ti

規矩都是人定的,所以充電過程如何分類並不是單一標準,大部分都逃不開 CC-CV 的大框架,但細分之下各家有各家的細微差別,這點不必過於糾結。

總結一下,人們常說的 “涓流充電”,其實是恆壓充電的最後階段,也可以認為是 UI 報滿之後的小電流充電階段。


UI 快充又是什麼?

這裡又需要引入兩個名詞:截止電流,報滿電流。

截止電流 / 停充電流: 顧名思義,充電電流降低到此閾值時就認為充滿,手機停充。注意,這是最終停止充電的閾值,而非電量達到 100% 的閾值。大部分手機都會先 100% 報滿,再稍微充一會兒。(不少人喜歡將這段充電過程稱為涓流充電)

報滿電流: 電流降低到此閾值時就認為電量充至 100%,UI 顯示滿電。從截止電流的解釋就能看出,UI 電量和實際電量並不相等。

正如前文介紹充電過程時所說,恆壓充電階段,充電電流會逐漸減小,在最後階段,電流非常小,只有 100mA 左右。這導致最後的幾十 mah 充電時間很長 --50mAh 就需要 150mA 充電 20 分鐘才能充完。

如果把充電想象為給水桶中注入單位高度的水,那麼給 10% 的水桶加入 1% 的水,和給 90% 的水桶加入 1% 的水,速度會相差非常大。

涓流充電?UI 快充?談談手機充電過程

這就引發了幾種設計思路:

1、設置報滿電流大於截止電流,這就是俗稱的 “提前報滿” 功能。也就是先 UI 報滿,繼續充一陣後再實際停充。

2、設置報滿電流幾乎相等截止電流,也就是 UI 一報滿,立刻就停充了。

報滿電流和截止電流具體設置多少,相差多大,就是各個廠家思路的不同了。

理論角度而言,當然是截止電流越小,電池充的越 “飽”,但由於小電流充電時間越來越長,最終會得不償失。

但如果截止電流與報滿電流相差偏大,UI 報滿之後隔了半小時才真正停充,可能就會有人覺得停充過早,不實誠了。“UI 快充” 就是對於這種情形的調侃。其實這種情況,各家廠商或多或少都會有,是一種普遍情況。小白測評的涓流充電時長圖表中也是可以看到的。


好了,繁瑣的概念介紹完了,可以回答開頭的問題了。

砍掉涓流充電是否真的會影響電池壽命?我們知道,其實多數人所說的” 砍涓流 “,是把 “UI 報滿之後的小電流充電階段去掉”。

這個問題需要看如何 “砍”。

假設一、原設計方案為報滿電流 200mA,截止電流 150mA,最終設置為報滿電流和截止電流都等於 200mA。

這樣砍掉 UI 報滿之後的充電過程,對壽命並無影響。

“充到 UI 顯示 100% 後,繼續充一段時間” 的 “涓流充電”,是恆壓充電的一部分,砍掉了這部分充電,就像平時只充到 90% 就決定拔掉一樣。這個行為本身對電池壽命並沒有影響。鋰電池沒有記憶效應,淺充淺放反而對壽命有好處。

這種設計好處很明顯,小電流充電時間實在是太長了,稍微提高一些截止電流,就能換來充電時間的大幅減少。

壞處則是充的沒那麼 “飽”。畢竟停充的早了。但電池不會因為提前報滿而受損。

假設二、在去掉 UI 報滿後小電流充電階段的同時,用大電流充電繼續充至停充。

這種假設,保持較大電流充電最終停充,會不利於電池壽命。

充電末期,如果還採用大電流充電,會使鋰枝晶析出風險增加,電池內部化學反應受到影響,也就是所謂的 “縮短壽命”。這就需要做更多改進來彌補了。

去年 OPPO 65W 快充就是一個比較典型的例子,使用了內阻更小的電池,更多的散熱手段,更高效的充電芯片和電路設計,才能在帶來大電流充電的同時,壽命不會有劇烈的影響 ---- 如果依然使用原本的電池,大電流下循環次數就不容樂觀了。

所以目前廠商的解決方案,其實就是用更好的電池和芯片,在大電流下的損失後,使其仍能通過原本的安規要求。(快充的損失依然存在)


展望

2020 年,100W 以上的快充正蓄勢待發,廠商和電池廠家合作,也是摸索新材料、新工藝,大電流下對電池損傷儘量保證原本的要求。

電池廠家不斷努力,改善正負極材料理化特性,改進燒結工藝…… 等等,電池本身在逐漸進步,電池可承受的電流也在逐漸增長,CV 階段的 “緩慢” 在逐漸提速。這也是手機廠商快充進步的助力之一。

未來又會有什麼樣的新技術呢?期待。


鋰電池充電過程的四個階段淺談:

鋰電池的充電原理:

具有高效率電荷泵(Charge Pump Charger)充電系統介紹:

高通 Quick Charge 快速充電原理分析:

電池快充的原理是什麼?- 弗雷劉的回答:

也要感謝酷安的 @唐工 ,解除了我的一些疑惑,也寫在文中了。


最後,祝各位鼠年快樂,百毒不侵。


  • 文章為作者本人觀點,不代表酷安立場


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