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手机正确的充电方式

出处:维库电子市场网 发布于:2018-03-07 15:21:40 | 654 次阅读

  有一篇文章叫《手机充电的正确打开方式》,众多媒体转载,看到这个题目的时候,我扪心自问,从业十几年,接触手机电池、工业电池等众多锂电池,有正确充电方式么?好像没有,只有合适的充电方式,历来设计都是向实际使用妥协。比如现在的快速充电,大家都知道对电池有害,但是大家更需要用手机,所以它很合理。

  为什么我会说这篇文章作者绝对不是一个电池从业者,甚至可能没做过电池设计工作呢?首先,这个文章的出现,是非技术论坛先出现的,如果是闷sao的技术人员,是不会将这种看似专业的文章发表在非技术论坛上的,太掉价了吧,怎么也得搞几个别人看不懂的曲线图吧。

  另外,这个文章一点原理性的东西都没有解释,反而给出很准确的数字,不谈原理空谈数字很符合现在谣言的规律,比如常用谣言说:某地区因为污染肺癌高发达10%,什么致病不知道,哪种肺癌不知道,但是10%的数字看着好准确。可实际上,越是科学越只能给个范围,所以“科普文章”一旦出现准确数字,就要小心上当。

  比如这篇文章中第三条:最好维持65%~75%之间,不知道这个数据是怎么来的,但是对于电池来说,这个范围可能就是3.78V~3.9V之间,依靠人或者充电器来控制?对不起,0.12V的差异不好做,这个数字可能就是拍脑袋拍出来的。

  一、锂电池的工作电压范围

  手机上常用锂离子聚合物电池,是正负极加中间隔膜卷起来的结构,内部灌有电解液,通过电化学方法实现充放电,具体方程式我不专业,就不献丑了。电池中存储的是电量,但是我们计算的时候却测试的是电压,因为我们没有办法准确统计到底多少电子流入流出,而锂电池在恒流放电过程中,大部分时间电压都是线性的,比如我刚刚测试的一个放电曲线,放电电流100mA持续4天,3450mAh的松下18650电池(要有数据支持,一定要有几个别人看不懂的曲线图):

  所以实际设计中是用电压来粗略的标示电量,而手机为了更直观,将检测到的电压分为不同的百分比来操作,但是哪是0%哪是100%,各家定义不一样。比如,苹果1刚出来的时候,大家说诺基亚最后一格电更耐用,苹果的最后一格电就要赶紧充电了,实际上就是两种机子定义的0%位置不同造成的。手机可能在3V会进入保护;而动力电池,比如滑板车之类的,可能会放到2.8V、2.5V进入保护或者直接就没有低电保护(比如无人机,由于瞬间电流非常大,所以往往没有保护板)。不同产品对于最高、最低的保护电压定义不同,工作电流不同,那么对于电池的损伤也就不同,手机一般可支持1000充电循环,无人机就只支持100充电循环,而且,保护电压要比电芯的极限电压还要收紧一些,以保护电芯。所以不谈电压电量只谈百分比,不谈使用只谈保护,这是砖家。

  例如我本次使用的18650 松下电芯,极限电压是2.5~4.4V,其保护板的参数如下表,但我的设备工作范围被限制到3.4~4.2V,比保护电压范围小。这种情况下,就算是“充满电”4.2V也没有到达损伤电池的极限,对寿命几乎没影响。

  二、锂电池充电电流能力

  电池有一个参数叫“C”,C的意思是1倍的电池容量,也就是持续工作1小时的最大电流,比如3000mAh的电池就是可以3000mA(3A)工作1小时。这是一种简单计算电池工作时间的方法,也是电池工作电流的重要标志。例如手机电池,一般允许1C充电,3C放电(通常放电电流比充电电流要大);动力电池可能会做到3C充电、10C放电,甚至会有25C等更高的放电电流。

  对于手机电池来说,1C充电就是大约3A的电流(约12W),这是手机电池能允许的最大电流值,而目前我们最常用的充电器是1A,远小于最大电流限值,所以可以认为是非常安全的,对寿命几乎没有影响,当然,如果不追求时间,充电电流越小越好,只要耐得住寂寞。

  通常估算电子产品的寿命就是温升10℃寿命减少一半,而电池充放电时候电流越大,发热也就越大,会导致寿命缩短。现在手机的高速充电,实际上是加速了电池的损伤,建议大家不是急需的情况下充电电流越小越好。而且,尽量充电的时候不要做大功率的操作,比如打游戏,会导致手机发热迅速增加,不光是电池,整机所有零件寿命均大大减少,只是电池影响会表现得更加明显。但这种衰减是温度引起的,不是充电。

  三、手机充电系统结构

  那么实际充电过程中电池电压是怎么变化的,充电到底有没有害,需要大家了解一下手机充电的结构,以及各部分的保护能力。正常手机充电的部分是可以分为四层,结构如下:

  充电器

  手机充电管理电路+放电电路

  电池内置保护板

  电芯

  1、充电器多数设计是恒压供电,5V/1A比较通用,输出恒压5V,输出电流最大1A。

  由于是初级220V,次级5V,有可能直接接触人体,所以对于耐压、漏电流等都有严格地要求。充电器不一定要进口的或者原装的,一定要是正规的,就算是二手货或者旧货,品牌的充电器也比山寨的要好,一般情况下一个满足安全要求的5V/1A充电器出厂价最少就在10元左右,如果售价接近甚至更少,那就基本不用考虑了。品牌的充电器要经过认证,所以用料比较好,安全性有保障,对于过流、过压、欠压、输出短路等都有很好的保证,即便去舔DC接口都不会有问题。但是山寨电源虚标严重,而且安全性也差得多,能把手机充爆甚至电死人的,基本就可以认定是充电器有假。

  现有的品牌电源中控制IC都会有关断功能,也就是充满电以后因为充电电流过小,就会把电路切断,所以,插着一夜的充电器早晨摸是冷的,因为早就关断了。手机也就不会一晚上一直充电,寿命不受影响。但是对于充电器,初级线圈是一直接着220V的,即便是关断情况,初级也是待机工作状态,时间长会老化,减少寿命,所以最好是充满电以后给充电器断电,这不是为了保护手机,是为了保护充电器。

  也正因为如此,所有建议手机一开始使用的时候充电12小时以上的文章,大家都可以忽略了,因为充电器根本就不会持续供电那么久,下文的充电模块也会主动关断充电电流,即便插着充电线,都已经是无用功了。

  2、如下图所示,手机内置的充电模块充电曲线基本类似,都是控制电流,大体分为四个阶段:涓流、恒流、恒压、截止。

  一开始充电时候为了使电池顺利进入充电状态,大约100mA进行充电状态的激活(不是新电池的激活,锂离子电池首次使用不用激活),然后几分钟后进入恒流充电状态,基本上维持1A的充电电流(以5V/1A为例),这时候电池电压会接近于线性的上升,直到大约4.1V~4.15V左右,电池接近满电,开始进入恒压充电状态,电流接近线性的下降,电压会稍微有点上升至4.2V左右基本不变。此时手机可能显示已经是100%状态,因为这个信号是充电管理IC给MCU的一个“CHG”充电状态的信号,表示已经满电,但是实际上,不好意思,充电管理IC仍然在偷偷的给电池充电!

  因为这时候的电压是虚电,此时拔电电压会下降一些,就像是人吃饭刚刚有饱意,可以不吃,但是要吃还能吃不少。这个状态可能会维持半个小时甚至更多,如果不拔电,那么电流会持续降低到100mA以下,充电管理IC才会真正关断电流,即截止。所以,看到的100%并不是真正的满电,对于电池保护也就没啥意义。

  由于手机内部有充电电路,所以充电器才可以随意使用,无论是1A/2A还是电脑USB的500mA都可以正常充电。而且,正因为充电管理IC的存在,才保证充电时电池不会出现过压、过流问题,电池才安全可控,也正因为它的存在,电池的寿命才能够得到保障。

  放电并没有特殊的保护IC,而是MCU不断检测电池电压,一般低到设定值,就会亮红灯,提醒要去充电,而到了3V可能就直接关机了。正常使用是不会放电到电池的极限电压,即“放死”。所以大家不用纠结自动关机以后电池是不是有影响,正常使用偶尔几次完全没问题。

  3、电池保护板是和电芯封装在一起的,常看到的手机电池是一整块,但是内部都会有一块保护电路在里面,这个电路的作用是保护电池的极限状态,一般是最高4.28V,最低2.8/2.5V,电流2A/5A/10A等,视电芯参数和设计而定。

  例如下图这种就是我们常见的手机电池保护板的样式:

  有的人测试后会奇怪,说电池保护到2.8~2.5V这时候不是电池会放死么,为什么不设置到3V,因为3V的保护是第二层手机放电过程中由MCU程序设定的,电池保护板是在第二层保护基础上附加的保护。有的系统设计是3.4V关机了,电池保护板就可以设置到3V关断;如果设计是3V关机,电池保护板就要设置到2.8V甚至更低关断。这个参数并不是固定的。而电芯的极限电压更低,例如松下18650工业级是在2.5V,比一般的锂电池都要低一些,官方的说法是在3.4~2.5V之间大约还有30~40%的电量可以使用。

  一般充电都是最高4.2V,这点比较一致,所以电池保护板一般过充保护在4.2~4.4V之间(例如本文第一个表格中松下电芯保护板的过充保护电压设计)。一旦充电管理IC误动作导致电压过高还继续充电,锂电池保护板就会切断充电电流,防止过充,所以,实际使用中不用担心持续充电把电池充爆的情形。

  过流保护是防止放电的时候电流过大损坏电芯,所以根据实际需要来调整,电流小保护电流也就小,电流大就要改大,、保护板散热就要设计的有足够余量。

  由于前面有多级的保护,所以手机上很难出现电池保护板起作用的极端情况。

  4、电芯内部结构也在对于过压、过流有物理上的保护,有泄压阀、离子膜等高科技的结构,当内部出现损伤的时候会出现膨胀、漏液等,这时候电池是真的受损了,不能继续使用。

  裸电芯对于静电也是比较敏感的,电压稍高就会可能造成暗伤,不过放心的是,由于电芯在层层保护之下,实际使用不会受到静电损伤。

  如前文所述,电芯对温度也比较敏感,所有的充电循环寿命都是基于25℃使用时测试的,如果温度超了,大家可以自己估算一下还剩下多少充电循环。

  前两年手机App会有一些电池医生,声称可以涓流充电维护电池寿命,脉冲充电重新激活电池,这里可以负责的告诉大家,这些都是错觉!App运行在MCU中,根本没办法管理到充电IC,这两个基本是独立的,所以不存在App能控制涓流充电的能力,硬件上没设计的功能,软件再花哨也不能编出来。

  四、综上所述:

  手机发展到现在,锂电池使用已经非常完善。无论是充电池的高压隔离、恒压、欠压等保护措施,还是手机内部的充电电流、电压的管控,层层保护之下都已经将电池使用的范围设定在安全工作范围内,这个范围是经过众多厂家的实验和验证,在这个范围内可以随便使用,随意充电。虽然说随手充电对电池的确更好,但是影响没有想象中的大。

  一个最直接的证据就是如果满充满放对于手机电池损伤很大,手机使用说明书中必然会有这一条的警告,但是大家翻一翻自己的说明书,可以看到有避免潮湿、过热等警告,但是就是看不到电量要注意的问题,也就证明手机厂家认为这样的操作危害不大。

  现实使用,大家觉得手机耗电突然很快,往往不是电池的问题,而是系统、APP、温度等造成的影响,还有像我前面说的一边充电一边打游戏,手机都烫手了,对电池寿命影响很大。所以大家更应该关注的是良好使用习惯,而不仅仅是充电问题。

  最后再说一句:一定要用品牌充电器!前面所讲的所有的保护都建立在充电器是好的情况下,如果充电器质量差,那么首先会损伤手机内充电保护电路,进而损伤电池,极端情况下,初次级之间击穿了,人还会有性命危险!

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