Как происходит заряд аккумулятора в мобильном устройстве?

Принцип зарядки аккумулятора на современном мобильном устройстве — это сложный процесс, управляемый несколькими микросхемами, которые работают вместе для обеспечения безопасности, эффективности и продления срока службы батареи. Рассмотрим основные компоненты и этапы процесса зарядки на примере IPhone.

Для начала разберемся что участвует в цепи и далее разберем что в мифе не так.

1. Контроллер управления питанием (PMIC)

Главная микросхема, отвечающая за зарядку аккумулятора, — это контроллер управления питанием, или PMIC (Power Management Integrated Circuit). Он распределяет электроэнергию по всем системам устройства, управляет зарядом и разрядом аккумулятора и контролирует, чтобы питание подавалось только тогда, когда это безопасно. На PMIC возлагается ответственность за:

  • регулировку напряжения и тока;
  • защиту от перезарядки и перегрева;
  • контроль за тем, чтобы батарея заряжалась на оптимальной скорости, не перегреваясь.

В устройствах Apple используется собственный PMIC, который взаимодействует с операционной системой iOS, позволяя телефону регулировать заряд и защищать батарею.

2. Контроллер заряда аккумулятора (Battery Charging IC)

Battery Charging IC — это микросхема, которая напрямую управляет процессом зарядки аккумулятора. Она контролирует зарядный ток и напряжение, обеспечивая безопасную подачу энергии в батарею. Контроллер заряда IC адаптируется к состоянию аккумулятора, что позволяет:

  • заряжать быстрее при низком заряде (в начале зарядки);
  • снижать ток по мере приближения к 100%, чтобы предотвратить перегрев и износ.

Микросхема также способна замедлять процесс зарядки, если обнаруживает, что температура устройства слишком высока.

3. Микроконтроллер управления батареей (Battery Management System, BMS)

Battery Management System — это система на самой батарее, которая отслеживает состояние аккумулятора, его заряд, напряжение, температуру и уровень деградации. BMS в реальном времени передаёт данные о состоянии батареи операционной системе iOS, которая принимает решение о том, как оптимизировать заряд. Например, когда активирована функция Optimized Battery Charging, BMS регулирует скорость зарядки, чтобы избежать постоянного нахождения аккумулятора на 100% в ночное время.

4. Температурные датчики

Температурные датчики находятся по всему устройству, включая батарею и контроллер питания, и обеспечивают безопасность во время зарядки. Они позволяют системе автоматически снижать ток заряда или полностью останавливать процесс, если устройство перегревается. Это важный элемент, так как литий-ионные аккумуляторы чувствительны к повышенным(!!!) температурам, которые могут сократить их срок службы.

5. Процессор (CPU) и операционная система (iOS)

Процессор и iOS играют вспомогательную, но критически важную роль в управлении зарядкой. Операционная система обрабатывает данные, полученные от BMS и температурных датчиков, и контролирует выполнение функций, таких как Optimized Battery Charging*. iOS регулирует скорость зарядки и при необходимости включает защитные меры, такие как остановка зарядки при перегреве.

Как происходит процесс зарядки?

  • Начальная фаза (быстрая зарядка)
    При низком уровне заряда PMIC и Battery Charging IC подают повышенный ток, чтобы быстро зарядить аккумулятор до примерно 50-80%. В этот момент контроллер заряда IC адаптируется к состоянию батареи, поддерживая оптимальную скорость и предотвращая перегрев.
  • Переход к постоянному току
    По мере достижения 80% скорость зарядки замедляется. Контроллер переходит к постоянному току, при котором ток постепенно уменьшается. Это предотвращает перегрев и увеличивает срок службы батареи.
  • Полный заряд и контроль за перезарядом
    После достижения 100% контроллеры PMIC и Battery Charging IC прекращают зарядку, защищая батарею от перезаряда. Если устройство подключено к сети, PMIC продолжает подавать энергию непосредственно в телефон, обходя аккумулятор. Это минимизирует циклы разряда и замедляет деградацию.

Почему вздувается аккумулятор?

Вздутие аккумулятора, особенно литий-ионного или литий-полимерного, является следствием химических процессов, которые происходят внутри батареи из-за различных факторов. Это явление является опасным и может привести к повреждению устройства или даже возгоранию. Давайте рассмотрим основные причины вздутия аккумуляторов.

1. Перезарядка и перегрев

Одной из основных причин вздутия батареи является перезарядка, при которой аккумулятор получает больше энергии, чем может безопасно удержать. Это приводит к перегреву и вызывает химическую реакцию внутри батареи, при которой выделяются газы. Некоторые из этих газов не могут выйти наружу, что вызывает накапливание давления и, как следствие, вздутие.

Пример: если зарядное устройство некачественное и не регулирует напряжение, оно может привести к перезарядке батареи.

2. Глубокий разряд и деградация элементов

Литий-ионные аккумуляторы плохо переносят глубокий разряд, особенно если он происходит часто. Когда батарея разряжается ниже определённого уровня, это вызывает химические изменения, которые могут необратимо повредить структуру ячеек. Со временем это приводит к деградации и накоплению побочных продуктов, таких как газы, которые вызывают вздутие.

3. Высокие температуры

Высокие температуры могут ускорять процессы разложения в литий-ионных батареях. При нагреве химические реакции в ячейках протекают быстрее, что может привести к выделению газов. Температурный перегрев может быть вызван внешними факторами (например, оставлением телефона на солнце) или внутренними (например, использованием устройства с интенсивной нагрузкой во время зарядки).

4. Физическое повреждение

Механическое повреждение, например, прокол или сдавливание батареи, может вызвать короткое замыкание внутри ячеек, что приводит к нагреву и выделению газов. Физическое повреждение также может разрушить изоляцию, что делает батарею нестабильной.

5. Старение батареи и естественная деградация

Со временем химический состав и структура литий-ионных батарей деградируют даже при нормальном использовании. Во время зарядки и разрядки в ячейках могут накапливаться нежелательные побочные продукты, которые постепенно приводят к вздутию. Хотя вздутие — это не обязательный признак старения батареи, оно более вероятно в устройствах с истекшим сроком службы.

6. Некачественные компоненты или дефекты производства

Батареи, изготовленные с нарушениями или из некачественных материалов, могут иметь дефекты, которые ускоряют процесс деградации или вызывают реакцию при обычных условиях. В результате такие батареи могут вздуться намного раньше ожидаемого срока службы.

Почему кристаллизуется аккумулятор?

Кристаллизация литий-ионной батареи — это явление, при котором внутри ячеек формируются твёрдые кристаллические структуры, называемые дендритами. Дендриты представляют собой тонкие металлические наросты, которые могут разрастаться между слоями батареи и вызывать серьёзные проблемы, вплоть до короткого замыкания и отказа батареи. Давайте разберёмся, почему это происходит и как это влияет на аккумулятор.

1. Механизм кристаллизации и образование дендритов

Кристаллизация, или образование дендритов, происходит из-за роста металлических наростов, в основном из лития, в процессе зарядки и разрядки. Это явление наблюдается при следующих условиях:

  • Высокие токи зарядки: При быстрой зарядке и разрядке ионы лития могут перемещаться слишком быстро, неравномерно осаждаясь на аноде батареи. Это создает условия для осаждения лития в форме дендритов.
  • Глубокий разряд: Когда батарея сильно разряжена, внутренние напряжения в ячейках изменяются, что может вызвать неравномерное распределение ионов лития. Это способствует их накоплению в определённых зонах, что также приводит к образованию дендритов.
  • Низкие температуры: При низких температурах ионы лития начинают медленно двигаться в электролите. Это может привести к их осаждению в виде кристаллов, так как они не успевают правильно распределяться по поверхности анода.

2. Как дендриты повреждают аккумулятор

  • Короткое замыкание: Дендриты, растущие в сторону катода, могут пробить сепаратор — тонкий слой материала, который разделяет анод и катод. Если дендриты доходят до катода, это вызывает короткое замыкание. В некоторых случаях это может привести к перегреву, задымлению и даже возгоранию батареи.
  • Снижение ёмкости и эффективности: Образование дендритов занимает пространство в ячейке, что снижает доступную ёмкость батареи. Из-за кристаллизации также уменьшается способность батареи удерживать заряд, так как часть активного материала связывается в неиспользуемые кристаллы.

Почему кристаллизация происходит со временем?

Дендриты чаще всего возникают в батареях, которые подвергаются значительному износу — постоянной глубокой разрядке, быстрой зарядке и работе в неблагоприятных условиях (высокие или низкие температуры). Со временем такие батареи теряют свои первоначальные свойства, и в них накапливаются кристаллические отложения лития, что ускоряет деградацию и приводит к отказу.

 

Почему аккумулятор становится мягким как «тряпочка»?

Когда аккумулятор становится мягким, как «тряпочка», это обычно является результатом значительной деградации и истощения активных материалов внутри батареи. Такой эффект чаще всего наблюдается в литий-полимерных батареях, так как они заключены в гибкий полимерный пакет, который со временем теряет свою упругость. Основные причины этого явления следующие:

1. Разложение и истощение активных материалов

В процессе зарядки и разрядки внутри батареи происходит движение ионов между анодом и катодом. Со временем эти химические процессы изнашивают активные материалы, приводя к их разрушению и уменьшению количества. Когда большая часть активного вещества деградирует, батарея теряет свою способность удерживать энергию, а структура электродов становится более рыхлой. Это приводит к тому, что корпус батареи теряет форму и становится более мягким.

2. Потеря внутреннего давления

Литий-полимерные батареи содержат жидкий или гелеобразный электролит, который под давлением поддерживает внутреннюю структуру батареи. Однако по мере деградации батареи электролит разрушается или испаряется, что снижает давление внутри пакета. В результате батарея становится более мягкой, так как её стенки больше не поддерживаются внутренним давлением.

3. Снижение механической целостности

Со временем из-за многочисленных циклов зарядки и разрядки происходит физическое разрушение структуры анода и катода. Электроды начинают разрушаться и превращаются в мелкие частицы, что ослабляет их прочность и упругость. Это делает весь пакет батареи менее стабильным и более мягким на ощупь.

4. Выход газов и потеря твёрдой формы

При нормальной работе батареи из-за химических реакций могут выделяться газы. В новых батареях эти газы удерживаются под высоким давлением или выводятся наружу. Но в старых, деградировавших батареях газовая смесь может выходить из активных материалов, из-за чего аккумулятор становится не только мягким, но и иногда слегка вздутым. При этом сама структура батареи теряет упругость, и внешняя оболочка начинает напоминать мягкий мешочек.

5. Снижение ёмкости и потеря плотности

Когда батарея теряет значительную часть своей ёмкости, её внутренние материалы перестают удерживать энергию и, следовательно, теряют плотность. Это также делает батарею менее жёсткой, и она становится «как тряпочка», особенно если аккумулятор сильно разряжен и не может восстанавливать форму даже при полной зарядке.

6. Разрушение полимерной оболочки

Литий-полимерные батареи заключены в мягкую полимерную оболочку, которая со временем изнашивается и теряет упругость. Механические нагрузки, например, от расширения и сжатия батареи во время зарядки и разрядки, могут ослабить полимерную структуру. Это приводит к тому, что внешний пакет становится мягким и теряет форму.

Почему это происходит чаще с литий-полимерными батареями?

Литий-полимерные батареи имеют гибкую оболочку, которая легче поддаётся деформации и не поддерживает форму батареи так, как это делает жёсткий металлический корпус в литий-ионных аккумуляторах. Именно поэтому литий-полимерные батареи более склонны к образованию мягкой «тряпичной» текстуры после сильной деградации.

Что за функция  Optimized Battery Charging в iPhone?

Функция Optimized Battery Charging в iPhone предназначена для того, чтобы уменьшить износ аккумулятора и продлить его срок службы. Она основана на предотвращении длительного нахождения батареи в состоянии полного заряда (100%), что ускоряет её деградацию. Вот как работает эта функция.

Принцип работы Optimized Battery Charging

  1. Анализ поведенческих паттернов
    Optimized Battery Charging использует машинное обучение для анализа повседневного распорядка пользователя. Например, если вы обычно заряжаете телефон ночью и просыпаетесь в определённое время, iPhone «запоминает» это и подстраивается под такой график.
  2. Остановка заряда на 80%
    Когда включена функция Optimized Battery Charging, iPhone заряжается до 80% и затем останавливается. Это снижает время, в течение которого батарея находится на максимальном уровне заряда, что предотвращает излишний износ.
  3. Дозарядка до 100% перед использованием
    Приближаясь к предполагаемому времени пробуждения или времени, когда вы обычно снимаете телефон с зарядки, функция активирует дозарядку до 100%. Таким образом, телефон готов к полному использованию, когда вам это нужно, но при этом избегает излишнего времени на максимальном заряде.
  4. Использование данных о местоположении и времени
    iPhone может использовать данные о вашем местоположении и ежедневном графике, чтобы определить, когда функция нужна. Например, если вы находитесь вдали от дома или путешествуете, iPhone может не применять Optimized Battery Charging, поскольку ваш график зарядки может отличаться от обычного.
  5. Контроль температуры батареи
    Если телефон обнаруживает, что температура батареи высокая, он может дополнительно ограничивать зарядку, чтобы избежать перегрева, что также помогает продлить срок службы аккумулятора.

Почему это полезно для батареи?

Литий-ионные батареи, которые используются в iPhone, более подвержены деградации, когда долго находятся в полностью заряженном состоянии. Функция Optimized Battery Charging помогает минимизировать воздействие этого фактора, что позволяет батарее медленнее изнашиваться и дольше сохранять свою ёмкость.