Heute bietet das gewöhnliche Smartphone fantastische Funktionen. Nur eines frustrierend - die Batterie, die für einen Tag aktiver Arbeit kaum ausreicht! In diesem Beitrag werden wir diskutieren, wie und warum sich Netzteile in Mobiltelefonen entwickelt haben und was schnelle Batterieladetechnologien sind. Gleichzeitig werden wir einige alte Mythen über den "richtigen" Umgang mit Batterien zerstreuen.
Hallo Habr! Wir sind Anker, und dies ist unser erster, aber weit entfernt vom letzten Beitrag im Hubblog. Wenn jemand anderes es nicht weiß, ist Anker der weltweit größte Hersteller von mobilen Ladegeräten für den Einzelhandel, der vom ehemaligen Google-Ingenieur Stephen Young gegründet wurde. Unser Portfolio beschränkt sich jedoch nicht nur auf Übungen. Die Marke Anker verkauft eine Vielzahl von USB-Kabeln und Powerbanks, Kopfhörern und tragbaren Lautsprechern, USB-Hubs, Dockingstationen und sogar Roboterstaubsaugern! Und das alles ist unsere eigene Entwicklung. Wir kennzeichnen die Produkte anderer nicht neu. Anker beschäftigt Hunderte von Ingenieuren, die echte Forschung, Entwicklung und Erprobung neuer Produkte durchführen.
In diesem Blog werden wir über Technologie durch das Prisma unserer Spezialisierung sprechen, Wissen und Erkenntnisse des internationalen Anker-Teams austauschen. Wir garantieren, dass Sie hier keine aufdringlichen Werbe- und Marketingaussagen finden. Und jetzt machen wir einen kleinen Ausflug in die Geschichte des Aufladens von Mobiltelefonen (unser Lieblingsthema). Wie die ersten Handys aufgeladen wurden, wie schnell Ladetechnologien funktionieren und warum es höchste Zeit ist, die Mythen über Batterien zu vergessen - hier und jetzt.
Batterien in Telefonen vorgestern, gestern und heute
Die Geschichte der Telefonbatterien reicht bis in die 1940er Jahre zurück, als Polizeiautos in St. Louis, PC. In Missouri erschienen Funktelefone. Sie wurden von einer Autobatterie angetrieben, von der eine volle Ladung für etwa sechs kurze Anrufe ausreichte. Die Autobatterie wurde bei laufendem Automotor aufgeladen. Mobiltelefone blieben mehrere Jahrzehnte lang ein teures Zubehör für Premium-Geschäftsautos - die Elektronik dieser Zeit forderte eine so hohe Stromstärke, dass keine der kompakten Batterien sie mit Strom versorgen konnte.
Dies dauerte bis 1973, als das erste wirklich tragbare Mobiltelefon von Motorola auf den Markt kam, das später als DynaTAC 8000X bezeichnet wurde (das erst 1983 in den Handel kam). Das Telefon war mit einem 6-Zellen-Nickel-Cadmium-Akku mit einer Gesamtkapazität von 500 mAh zufrieden. Eine Ladung reichte für 30-40 Minuten Gespräch (abhängig von der Signalstärke der Basisstation).
Das Ladegerät für den DynaTAC 8000X hatte eine Erhaltungsladefunktion - dies ist die Lieferung eines bereits geladenen Akkus mit geringen Strömen, um seine Selbstentladung zu kompensieren, was die Sünde von Nickel-Cadmium-Akkus ist. Das Aufladen des Telefons dauerte 10 Stunden. Für die eiligen Geschäftsleute bot Motorola ein spezielles Schnellladegerät an - ein 2-kg-Dock, mit dem ein DynaTAC 8000X-Akku in nur einer Stunde aufgeladen werden kann! Gleichzeitig erwärmte sich das Telefon fast nicht und der Akku verschlechterte sich nicht. Tatsächlich erschien das schnelle Aufladen von Telefonen nicht „gestern“, sondern vor 37 Jahren.
Während Mobiltelefone in der ersten Hälfte der neunziger Jahre neue kompakte Nickel-Metallhydrid-Batterien entwickelten, fand auf dem Batteriemarkt eine echte Revolution statt: 1991 brachte Sony die erste Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt Film-Camcorder CCD-TR1. Lithium-Ionen-Batterien übertrafen ihre Vorgänger in Bezug auf Lebensdauer und Energiedichte. Außerdem fehlte ihnen der "Memory-Effekt", der den Käufern tragbarer Elektronik endlich die Möglichkeit gab, ihre Geräte auf neue Weise aufzuladen - ohne darauf zu warten, dass der Akku vollständig entladen ist und ohne ihn vollständig aufzuladen.
Mit dem Aufkommen von Lithium-Ionen-Batterien hat sich die Standby-Zeit von Telefonen auf Tage oder sogar Wochen gegenüber ein oder zwei Tagen zuvor erhöht. Die Ära der "gefräßigen" Pocket Personal Computer (PDAs) und vor allem der Smartphones ist noch nicht angebrochen. Daher war es üblich, das Telefon einmal pro Woche aufzuladen - es war einfach kein "schnelles" Aufladen erforderlich. Der Fortschritt blieb jedoch nicht stehen, und Ende der neunziger Jahre wurden Lithium-Polymer-Batterien in den Handel gebracht. Das legendäre Ericsson T28 von 1999 war das erste Telefon mit einem Lithium-Polymer-Akku.
Dies war kein neuer Batterietyp, sondern nur eine kleine Aufrüstung der Lithium-Ionen-Zellen: Der darin enthaltene flüssige Elektrolyt wurde durch einen festen oder gelartigen ersetzt, wodurch die Energiedichte erhöht wurde. Die erhöhte Energiedichte ermöglichte es jedoch, dünnere Batterien mit gleicher Kapazität herzustellen. Oder geräumiger in der gleichen Größe. Die Akkukapazität hat sich erheblich erhöht, die Ladegeschwindigkeit hat sich jedoch nicht geändert. Am häufigsten wurden Smartphones mit den billigsten Speichergeräten mit einer Ausgangsleistung von etwa 5 W gebündelt, was bis zu drei Stunden dauerte, um die Ladung eines geräumigen Akkus wieder aufzufüllen. Selbst wenn Benutzer Adapter mit einer Leistung von 10 W kauften, stimmte der Smartphone-Leistungsregler nicht immer zu, den Akku mit dieser Leistung zu versorgen, während er dem sicheren 5V / 1A-Profil treu blieb.Die Notwendigkeit, ein Smartphone für quälend lange Stunden aufzuladen, brachte den Fortschritt voran - Anfang der 2010er Jahre suchten die Hersteller mobiler Geräte aktiv nach Möglichkeiten, um Batterien schnell aufzuladen. Und sie haben es gefunden.
Schnellladung: Die Zukunft ist da
Am Ende des 20. Jahrhunderts dauerte das Aufladen eines Telefons durchschnittlich eineinhalb bis zwei Stunden, aber Mobiltelefone arbeiteten mehrere Tage lang mit einer einzigen Aufladung. Ein Smartphone mit einer riesigen Akkukapazität von 2000 mAh für die frühen 2010er Jahre könnte dank anspruchsvoller Spiele, Video-Streaming und schnellem mobilem Internet in weniger als einem Tag auf Null gesetzt werden.
Durch das sogenannte "langsame" Laden über USB nach dem USB-Batterieladestandard kann der Strom des Ladegeräts bei einer Spannung von 5 V auf 2 A erhöht werden, aber selbst zwei Stunden zum Aufladen eines großen Smartphones sind zu lang.
Im Jahr 2012 wurde der USB Power Delivery-Standard verabschiedet, der die Übertragung von Spannungen bis zu 20 V und Strömen bis zu 5 A über die USB-Schnittstelle regelt. Für eine hohe Leistung sind jedoch hochwertige zertifizierte Kabel erforderlich. Basierend auf den Power Delivery-Spezifikationen haben Chiphersteller begonnen, eigene Lösungen für schnell aufladbare Smartphones zu entwickeln. Der Telekommunikationsgigant Qualcomm, dessen Quick Charge 2.0-Protokoll zu einer verbesserten Version von Power Delivery wurde, war der erste, der dies tat - im Gegensatz zum übergeordneten Standard funktionierte Quick Charge 2.0 mit allen Micro-USB 2.0-Kabeln und -Anschlüssen.
Das Funktionsprinzip von Quick Charge 2.0 bestand darin, die Batterie schrittweise mit einer erhöhten Spannung von bis zu 12 V bei konstantem Strom zu versorgen, bis etwa die Hälfte der Batterie aufgeladen war. Danach fällt die Spannung ab und die Ladegeschwindigkeit nimmt ab, wodurch die Überhitzung des Smartphones und des Akkus verringert wird.
Jetzt ist die fünfte Version von Quick Charge bereits relevant: Qualcomm verspricht, das Smartphone in 5 Minuten zu 50% und in 15 Minuten zu 100% aufzuladen. Dies liegt daran, dass Quick Charge 5.0 die Übertragung von bis zu 100 Watt auf das Smartphone ermöglicht. Und ohne den Akku zu überhitzen, erwärmt sich das Smartphone auf nicht mehr als 40 ° C.
Qualcomm Quick Charge ist ein proprietärer lizenzierter Standard. Es wird nur von Systemen auf einem Qualcomm Snapdragon-Chip unterstützt, die jedoch auf etwa 40% der modernen Android-Smartphones basieren. Auch das Schnellladen muss vom Ladegerät unterstützt werden. Das Hinzufügen einer Schnellladung zum Netzteil hat nur einen geringen Einfluss auf den Preis. Netzteile mit dieser Technologie sind notwendigerweise mit einem Logo mit einem Blitz gekennzeichnet, und der Ladeanschluss selbst ist farblich hervorgehoben.
Basierend auf Quick Charge haben andere Unternehmen ihre eigenen, aber vollständig kompatiblen Schnellladetechnologien entwickelt: Motorola TurboPower, Xiaomi Mi-Schnellladung, Samsung Adaptive Fast Charging, Asus BoostMaster und Vivo Dual-Engine-Schnellladung. Tatsächlich unterscheiden sie sich bis auf die Namen nicht von Quick Charge und funktionieren daher perfekt zusammen mit Netzteilen mit Quick Charge-Unterstützung.
Im Gegensatz zum Laden mit erhöhter Spannung hat ein anderer Ansatz das Recht auf Leben verdient - das Laden von Batterien mit erhöhten Strömen bei einer normalen Spannung von 5 V. So hat beispielsweise die chinesische BBK Electronics, der die Marke OPPO gehört, diesen Weg eingeschlagen. Die VOOC-Technologie (Voltage Open Loop Multi-Step-Konstantstromladung) versorgt ein Smartphone mit einer Standard-USB-Spannung von 5 V, jedoch mit einem Strom von mindestens 4,0 A. Die dritte Version von VOOC unterstützte Ströme bis 5,0 A und die vierte Version - Bis zu 6,0 A. VOOC unter verschiedenen Namen kamen auf Smartphones anderer Marken von BBK Electronics: OnePlus Dash Charge, Vivo Super FlashCharge und Realme Dart Charge.
Die kleinen 5-W-Ladegeräte, die mit dem iPhone geliefert werden, werden häufig als unnötig aus der Verpackung genommen. Der Anker PowerPort III Nano ist zwar ähnlich groß, lädt das iPhone jedoch mit einer maximalen Leistung von 18 Watt auf. Quelle: Anker
VOOC und seine Analoga werden mit speziellen Batterien gepaart, die in Sektoren unterteilt sind. Eine Batterie mit Unterstützung dieser Technologie trägt acht Kontaktflächen, über die mehrere Sektoren einer Batterie parallel geladen werden.
Da die Ladespannung über VOOC Standard ist, muss das Telefon sie nicht absenken, um sie dem Akku zuzuführen. Dies bedeutet, dass der Controller sie nicht absenkt und Wärme freisetzt, die für den Akku schädlich ist. Das heißt, in Bezug auf den Batteriezustand ist VOOC sicherer als Quick Charge. Ein weiterer Vorteil war, dass das Smartphone während des VOOC-Ladevorgangs nicht überhitzt. Geräte mit Schnellladung bis Version 5.0 sollten jedoch besser nicht während des Ladevorgangs verwendet werden. Andernfalls erwärmen sich Smartphones und der Leistungsregler reduziert aus Sicherheitsgründen die Spannung und verlangsamt den Ladevorgang.
VOOC sah zu gut aus, bis der Benutzer wusste, dass die Technologie ein spezielles Kabel mit dickeren Leitern benötigt, um hohe Ströme zu führen, und einen zusätzlichen Signalstift am Stecker.
Anker PowerIQ — ,
Wie Sie verstehen, unterstützen komplette Ladegeräte für Smartphones immer eine Schnellladetechnologie (naja, und ihre "Kopien"). Wenn Sie stolzer Besitzer von Gadgets verschiedener Unternehmen sind, z. B. Apple iPad Pro mit Power Delivery, Samsung GALAXY S9 mit adaptivem Schnellladen, lädt das Laden von einem Gadget ein anderes Gadget im langsamen Modus auf.
Für einen "Zoo" von Geräten verschiedener Marken ist es nützlich, einen Universaladapter mit mehreren Ausgängen zum gleichzeitigen Laden aller Geräte zu kaufen, damit das Ladegerät versteht, mit welchem Schnellladestandard das angeschlossene Gerät arbeitet, und gemäß diesem Standard mit dem Laden beginnt.
Bei allen Anker-Ladegeräten ist die Anker PowerIQ-Technologie dafür verantwortlich. Beispielsweise verfügt der Anker PowerPort Atom III über USB-C- und USB-A-Ausgänge, die jeweils mit PowerIQ 3.0 bzw. PowerIQ 2.0 gekennzeichnet sind. Über diese Ausgänge können Smartphones, Tablets und sogar Laptops mit Unterstützung für USB Power Delivery, Qualcomm Quick Charge und deren Analoga angeschlossen werden. In allen Fällen wählt der Adapter den maximal zulässigen Stromversorgungsmodus aus, sei es 5 V / 2,4 A, 9 V / 2 A oder sogar 12 V / 1,5 A.
Der Anker Powerport III Nano 20W kann in diesem Fall ein unverzichtbarer Assistent sein. Es ist das dünnste und leichteste Ladegerät der Anker-Reihe. Die Neuheit passt auf fast jedes Apple- und Android-Gerät und macht ein persönliches Gedächtnis für jedes Gerät überflüssig. Es verfügt über einen einzigen USB-C-Anschluss, der mit dem Power Delivery-Standard bis zu 20 W Leistung liefern kann. Die Ingenieure von Anker Innovations passen 20 W in einen Adapter von 2,74 x 3,00 cm ein, was mit der Größe einer 5-Rubel-Münze vergleichbar ist.
Jedes Anker-Ladegerät mit PowerIQ-Technologie verfügt über einen Chip, der mit dem angeschlossenen Gerät kommuniziert und das effizienteste Stromversorgungsprotokoll auswählt. PowerIQ 3.0 funktioniert beispielsweise mit Power Delivery, Quick Charge und Apple Fast Charging. Wenn ein Smartphone angeschlossen ist, sendet der PowerIQ-Chip Befehle, mit denen er dem Smartphone wiederum die unterstützten Energieprotokolle anbietet. Wenn das Smartphone antwortet, dass es mit Power Delivery oder Quick Charge arbeiten kann, überträgt das Anker-Ladegerät Daten zur unterstützten Ausgangsspannung und zum unterstützten Ausgangsstrom. Das Smartphone wählt aus den vorgeschlagenen den optimalen Stromversorgungsmodus aus und sendet einen entsprechenden Befehl an das Ladegerät. Danach passt das Anker-Ladegerät die Spannung gemäß dem ausgewählten Profil an und das Smartphone verbraucht Strom gemäß dem Protokoll.
Mehrere Mythen über das Laden von Batterien
Smartphone-Nutzer streiten sich im Internet immer noch über die Gefahren des schnellen Ladens von Batterien. Einige weisen darauf hin, dass eine Abweichung von der bewährten Kombination von 5 V / 2 A (10 W) im Laufe der Jahre den Akku schädigt, andere zitieren die Ergebnisse von Studien, die belegen, dass die Stromversorgung des Telefons auch bei 30 W, wenn dies die Gesundheit des Akkus beeinträchtigt, äußerst unbedeutend ist. ... Wir werden dies und einige weitere Mythen über das Laden von Batterien jetzt rücksichtslos zerstören.
Natürlich sind hohe Lade- und Entladeströme nicht gut für Batterien. Aber lohnt es sich, Angst zu haben, das Gerät auf diese Weise aufzuladen, oder wenn sich der negative Effekt davon manifestiert, dann gegen Ende der Lebensdauer des Smartphones selbst? Tägliches Laden im schonendsten Modus (5 V / 1 A) reduziert die Kapazität des Lithium-Polymer-Akkus über 400 Zyklen um etwa 10-15%, was einer bis eineinhalbjährigen Betriebsdauer des Geräts entspricht. Nach Erreichen von 500 Zyklen wird empfohlen, den Akku des Telefons zu wechseln, da die Akkukapazität mit zunehmendem Alter nicht linear, sondern exponentiell abnimmt.
Die Auswirkung des schnellen Ladens auf den Batterieverschleiß wurde bereits 2014 von Spezialisten des SLAC National Accelerator Laboratory (einem Labor an der Stanford University) getestet. Forschungsergebnissezeigten, dass sich der Zustand der Anode und der Kathode in Abhängigkeit von der Batterieladegeschwindigkeit nicht ändert. Im Jahr 2020 führten die Mitarbeiter von DDay.it einen Stresstest für das OPPO Find X2 Pro-Smartphone mit VOOC-Technologie durch. Innerhalb von anderthalb Monaten wurde das Telefon mit einem 65-W-Adapter aufgeladen. Während des Tests überlebte der Akku 248 Zyklen. Für eine schnelle Entladung wurde im Telefon eine künstliche extreme Belastung erzeugt, von der sich das Gerät auf schädliche 44 ° C erwärmte. Am Ende des Experiments verlor die Batterie etwa 15% ihrer Kapazität, obwohl ursprünglich angenommen wurde, dass die Verschlechterung bis zu 35% betragen würde. Ohne die hohen Lasten und die für die Batterie gefährliche Temperatur wäre der Kapazitätsabfall noch geringer.
Es ist überraschend, dass es auch im Jahr 2020 unter unerfahrenen Smartphone-Nutzern langjährige Mythen über "korrektes" Laden gibt. Zum Beispiel „schwingen“ einige Leute den Akku nach dem Kauf eines Telefons immer noch, laden das Gerät bis zum Ende auf und entladen es mehrmals auf Null, wie dies Anfang der neunziger Jahre für Nickel-Metallhydrid-Zellen empfohlen wurde. Dies hilft angeblich dabei, die gesamte Kapazität des neuen Akkus zu nutzen. Andernfalls wird das Smartphone früher entladen, als es sollte. Jemand nennt diesen Prozess auch "Kalibrieren des Leistungsreglers".
Tatsächlich benötigen Lithium-Ionen-Batterien vor der Verwendung des Geräts kein "Training". Mehrere vollständige Lade- und Entladezyklen wirken sich überhaupt nicht auf die Batteriekapazität aus und verlängern die mögliche Batterielebensdauer für eine Minute nicht. Der Controller weiß genau, mit welcher Kapazität er arbeiten muss, und außerdem kalibriert er sich manchmal ohne Benutzereingriff, wenn sich der Akku verschlechtert.
Legende über die Bedeutung der "Schwingung" von Batterien speist immer noch den Mythos des Memory-Effekts. Der Speichereffekt selbst ist tatsächlich vorhanden, wenn die Kapazität der Zelle aufgrund des häufigen Aufladens einer unvollständig entladenen Batterie verloren geht. Das ist nur das frühe Lithium-Ionen-System, und moderne Lithium-Polymer-Batterien haben diesen Effekt praktisch nicht (seine Manifestation ist vernachlässigbar). Veraltete Nickel-Cadmium- und in geringerem Maße Nickel-Metallhydrid-Batterien, die seit Ende der neunziger Jahre nicht mehr in Geräten verwendet wurden, sind anfällig für Memory-Effekte.
Der dritte Mythos besagt, dass Smartphones nicht lange über Nacht an ein Ladegerät angeschlossen bleiben können, beispielsweise über Nacht - als ob der Akku über alle Maßen überladen würde, was dazu führt, dass er an Kapazität verliert und sogar Feuer fängt. Im Prinzip hatte eine solche Meinung Anfang der neunziger Jahre noch das Recht zu existieren, aber jetzt, im Zeitalter von Lithium-Ionen-Batterien mit Controllern, spielt es keine Rolle, wie lange Sie Ihr Smartphone an die Steckdose angeschlossen halten. Dann wurde der Leistungsregler erfunden, um ein Überladen zu verhindern. Wenn der Akku aufgeladen ist, erkennt der Controller dies und wechselt in den Ladesparmodus, wodurch der Stromverbrauch auf Werte nahe Null reduziert wird.
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Über ein Vierteljahrhundert ist die Kapazität von Handybatterien buchstäblich um eine Größenordnung gewachsen, ebenso wie der "Appetit" von Geräten. Fortschritte in der Batterietechnologie sind nicht so schnell wie bei GPUs oder im Speicher, aber die heutigen Lithium-Polymer-Batterien sind ein echtes Wunder und erfordern lediglich hochwertige Stromversorgung.
Um das volle Potenzial des Akkus auszuschöpfen und sicher und schnell zu laden, sollten Sie ein gutes Ladegerät wählen - komplette Smartphone-Adapter aus der Wirtschaft erfüllen häufig nur die Mindestanforderungen für das Laden. Es ist doppelt klug, ein Multiport-Universalladegerät zu Hause zu haben, das mit mehreren Schnellladeprotokollen arbeitet und über USB-A- und USB-C-Ausgänge für die modernste und alterndeste Technologie verfügt.