Czy szybkie ładowanie szkodzi baterii smartfona?
Krótka odpowiedź: Nie, samo szybkie ładowanie nie szkodzi baterii. Poniżej wyjaśniamy, dlaczego.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba uwzględnić 3 czynniki:
⚠️ Pierwszy czynnik: chemia baterii i jej ograniczenia.
W smartfonach najczęściej stosuje się baterie Li-Ion i Li-Pol. Ich budowa i procesy chemiczne są bardzo podobne, choć baterie Li-Pol mogą pracować przy nieco wyższym napięciu (do 4.35V). Oba typy często określa się wspólną nazwą baterii litowych. Istnieją też baterie LiFePo4, również zaliczane do litowych, ale mają inne napięcie (maks. 3.65V) i mniejszą gęstość energii, dlatego na razie nie są stosowane w smartfonach.
Przez długi czas dla baterii Li-Ion obowiązywała zasada, że prąd ładowania i rozładowania nie powinien przekraczać 0.5-1C, czyli 0.5-1A na każde 1000mAh pojemności. Z czasem zmieniła się chemia baterii: stosuje się inne elektrolity i materiały elektrod. Dzięki temu niektórzy producenci opracowali ogniwa zdolne bez szkody wytrzymywać prąd do 6C (OPPO), 8-12C (Infinix), a nawet do 15C (Xiaomi, Vivo) na ogniwo.
⚠️ Drugi czynnik: temperatura.
Temperatura jest prawdopodobnie najważniejszym czynnikiem wpływającym na żywotność i stabilną pracę baterii. Ciepło powstaje:
w samej baterii podczas ładowania; jego ilość zależy od chemii ogniwa i jakości technologii produkcji (zob. pierwszy czynnik)
w kontrolerze ładowania podczas przetwarzania napięcia dostarczanego przez ładowarkę do poziomu napięcia baterii
w podzespołach smartfona podczas ich pracy (procesorze, pamięci itd.).
Odprowadzanie ciepła (chłodzenie) to ważne zadanie konstrukcyjne. Często metalowa obudowa smartfona pełni funkcję radiatora.
Kontrolowanie temperatury wewnętrznych podzespołów, a zwłaszcza baterii, jest bardzo ważne. Dlatego na baterii zawsze umieszcza się czujniki temperatury. Po przekroczeniu określonego progu prąd ładowania zostaje zmniejszony albo ładowanie całkowicie się zatrzymuje, a w szczególnie krytycznych sytuacjach smartfon się wyłącza.
⚠️ Trzeci czynnik: technologia i protokół ładowania baterii.
Istnieje wiele różnych protokołów ładowania baterii, które pojawiały się i rozwijały wraz z technologią produkcji baterii oraz kontrolerów ładowania. Wczesne protokoły, takie jak DCP, QC2.0 i PD, pozwalają ładowarce dostarczać do urządzenia napięcie o stałej wartości. To, jakie będą napięcie i natężenie prądu ładowania (spośród dostępnych stałych wartości oferowanych przez ładowarkę), określa kontroler ładowania smartfona. Na przykład 5V1.5A albo 9V3A.
Z czasem pojawiły się wydajniejsze protokoły szybkiego ładowania, na przykład PPS (używany przez smartfony Samsung i Google Pixel) oraz podobne rozwiązania (QC3, QC4, QC5, UFCS), a także protokoły własne producentów (Samsung SFC, OPPO VOOC/SuperVOOC, Xiaomi HyperCharge). Od wcześniejszych rozwiązań różnią się tym, że pozwalają elastycznie zmieniać napięcie i natężenie prądu w dozwolonym zakresie, na przykład 3.3-21V-5A, oraz dostarczać bezpośrednio do baterii prąd o potrzebnym napięciu i natężeniu bez jego przetwarzania. To znacznie ogranicza ogólne nagrzewanie się urządzenia (straty przy przetwarzaniu napięcia mogą sięgać 10%, co wyraźnie nagrzewa smartfon, w tym jego baterię). Dzięki takim protokołom można znacząco zwiększyć moc ładowania, utrzymując jednocześnie akceptowalną temperaturę baterii podczas ładowania.
Ładowanie baterii przebiega według schematu CC/CV. Na początku cyklu rozładowana bateria jest ładowana najwyższym dopuszczalnym dla niej prądem, przy stałym monitorowaniu temperatury. Po osiągnięciu maksymalnego napięcia dozwolonego dla danej baterii (na przykład 4.2V) napięcie pozostaje stałe, a natężenie prądu stopniowo spada. Pod koniec cyklu prąd ładowania maleje niemal do zera, a stały poziom napięcia jest podtrzymywany bardzo małym prądem.
Warto pamiętać, że protokół ładowania jest ustalany podczas nawiązywania połączenia między ładowarką a ładowanym urządzeniem. Nie tylko ładowarka i smartfon muszą obsługiwać odpowiedni protokół (oraz jego wersję); w niektórych przypadkach musi na to pozwalać także kabel. Na przykład do ładowania z maksymalną mocą topowych urządzeń Samsunga potrzebny jest kabel USB-C - USB-C z układem e-marker i oznaczeniem 100W lub 240W, ponieważ natężenie prądu może osiągać 5A. Zwykły kabel USB-C - USB-C bez układu e-marker (60W) dopuszcza tylko 3A, przez co nie pozwala w pełni wykorzystać możliwości szybkiego ładowania smartfona.
ℹ️ Wnioski:
Protokoły, które ładują baterię bezpośrednio, bez przetwarzania napięcia (PPS i podobne), są znacznie wydajniejsze, wydzielają najmniej ciepła podczas ładowania i stanowią najkorzystniejszy sposób ładowania z punktu widzenia wydłużenia żywotności baterii.
Kontroler ładowania jest równie ważną częścią układu jak sama bateria i odpowiada za jej bezpieczeństwo. Wybiera najlepszy spośród dostępnych protokołów, dobiera optymalny prąd do poziomu naładowania baterii oraz uwzględnia jej właściwości i ograniczenia, dopuszczalny zakres temperatur pracy, co ostatecznie zapewnia akceptowalny rezultat nawet przy prostszych i starszych protokołach szybkiego ładowania.
