手機廠商可以對電池的充電電壓參數進行自定義

小提示

鋰電池的工作電壓范圍可以由手機廠商進行微調（圖4），比如蘋果iPhone通常以4.35V作為1 00%狀態(tài)下的充電限制電壓，Android手機廠商則多以4.2V～4.4V為主。鋰電池的零電量標準往下可以設到2.8甚至更低，具體檔位取決于電芯和電源管理相關IC的性能以及廠商的需要。

換個視角看鋰電池的原理

本刊曾在2020年第16期特別話題《突破百瓦夢想淺析智能手機的新一代閃充技術》中回顧過智能手機充電技術的發(fā)展史，并解讀了最新超百瓦高速閃充技術背后的原理。其中，我們曾提到過度放電（過放）和過度充電（過充）都會讓部分Li+鋰離子無法再嵌入進負極或是無法再從負極離開（圖2），從而影響電池的壽命（可用電量）。

實際上，我們還能從另外一個角度分析過放和過充對電池壽命的影響。本文筆者盡量不涉及如Kernel層、Native層和BatteryService系統(tǒng)服務層等專業(yè)技術術語，以最直白的方式為大家講解。

電壓和電量的關系

智能手機內置鋰電池的額定電壓多在3.7V～3.85V之間（圖3），而電壓的變化范圍則在3V～4.4V之間，我們可以將其理解為對應的0%～100%電量。一款內置4000mAh的手機在充電時，表面上看是電池容量從0mAh變成74000mAh，但其背后則是將電池可以穩(wěn)定輸出的工作電壓從3V提升到了4.4V。換句話說，智能手機消耗的是越用越少的電池容量，而電池本身犧牲的則是越用越小的工作電壓。

二者并非線性關系

需要注意的是，鋰電池實時的電壓與電量并不是線性關系。一般來說，鋰電池在放電時，從4.4V～3.9V之間的下降幅度較大，在3.8V～3.7V之間的幅度最為平緩，當電壓低于3.7V后下降幅度則會明顯加速（見表）。

在功能機時代，幾乎所有的手機都會用多個小格子代表當前電量（圖5），但受制于當初的技術原因，每個格子代表的電量并不對等，往往都是中間的幾格最耐用。進入智能手機時代后，更先進的傳感器（如電量器）和成熟的算法可以實時監(jiān)測電池電壓的變化，可以將當前電量精準顯示到1%，從而讓用戶更合理地把控充電時機。

剖析充電背后的流程

從表面上看，給手機充電就是插上（連接著充電頭的）充電線，手機顯示正在充電。實際上，手機充電的背后有著一套相當復雜的驗證和流程，遠沒有我們想象的那么簡單。

先“握手”再充電

智能手機與充電頭都采用了通用串行總線的USB接口（圖6），只是手機端以MicroUSB和USB Type-C為主，而充電頭端則以USB-A為主（支持PD協(xié)議、100W或更高功率的充電頭則會改用USB Type-C）。無論是哪種標準的USB，接口內部都存在可用于通訊的針腳，當手機插入充電線的那一瞬間，手機和充電頭內的通信控制電路就開始嘗試溝通：

如果充電頭和手機同時支持某項快充協(xié)議，那它們就能“握手”成功，并在該協(xié)議所支持的功率范圍進行充電（圖7）。在快速充電的過程中，手機端會不斷地向充電頭端發(fā)送包含電池的電壓和溫度信息，而充電頭則能根據這些信息實時調整輸出電壓和電流（圖8），直至充電結束。

⑧溫度也是影響充電功率的重要參數，充電功率越高，對溫控的要求也就越苛刻

現在快充技術還演化出了更復雜的操作。以VOOC 3.0為例，它通過手機端和充電頭端的雙向通信機制，可以在手機端提前預判即將運行的大型游戲會導致機身過熱，然后便會自動通知充電頭調整降低充電功率，當用戶退出這款游戲后再通知充電頭端恢復充電功率。對于那些雙向通信機制不完善的快充技術，往往會采用手機亮屏便將充電功率降到最高10W的機制，哪怕你只是點亮屏幕看個微信消息，快充的節(jié)奏也將因此被打斷。

再談過放與過充

低于多少電量關機由手機廠商自定義

為了防止過放，智能手機都會設定一個閾值（如1%～3%），當電池電量低于它便會觸發(fā)自動關機的保護機制（圖9）。問題來了，鋰電池的電量會隨時間而不斷地“揮發(fā)”，自動關機的手機如果長時間沒能進行充電，電量就會完全耗光，此時電池電壓將會跌破3V的臨界點。當閑置的時間再拉長一些，電池電壓則會降到2.8V甚至更低。而一旦電池電壓跌破2V，這塊電池可能就基本報廢了。

大家可以翻翻多年前的功能手機，它們中的很多電池是不是都充不進去電了？

和只傷害電池的過放相比，過充除了會影響電池壽命，還有一定幾率引發(fā)充電頭因過熱而燒毀、電池因過熱而爆燃等嚴重的安全事故。所以無論是充電頭還是手機端內都設有多重保護機制（圖10），在電池充滿后及時終止充電，或是將充電電流調整到不會影響電池安全的程度上。

我們可以將鋰電池理解為一個木桶，當木桶里沒有一滴水時，是不是得先倒入少量的水試試它漏不漏？確定不漏后可以使勁灌水，但當水桶快灌滿前是不是需要降低注水速度，防止水桶被漲裂？

參考上文表格中電壓與電量的對應關系，沒有水的木桶就是電壓低于3V的電池，而即將被灌滿的木桶就是達到4.2V電壓的電池。在電池電壓低于3V前需要緩慢注水，當電池電壓升到4.2V后也要降低注水速度（圖11）。

而這一前一后的緩慢注水過程，就是傳說中的“涓流充電”。

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涓流充電的意義

正如前文所述，給手機充電就好似給木桶灌水，我們可以將其大體劃分為三個階段。

預充階段

當手機完全耗光電量，又或是好久沒有使用時，你會發(fā)現剛插上充電線時它沒有任何反應，長按開機鍵也沒用，就好像壞了一樣。但等待3分鐘～5分鐘左右，手機屏幕便會突然亮起久違的充電圖標，但還需再等個3分鐘～5分鐘左右才能開機成功（圖12）。

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這個過程就屬于預充階段。剛充電時因為電池電壓低于3V，所以無法觸發(fā)開機和充電提醒。這個階段的電池是非常脆弱的，所以充電頭只能以極小的電流對其進行恢復性的充電，直到將電壓提升到3V這個臨界值才能進入下一個充電階段。理論上講，預充階段采用的就是涓流充電，只是這一階段的充電電流最小，可能低至毫安級別。

恒流充電階段

當電池電壓高于3V后（或是在手機沒有自動關機之前充電），充電頭就能放心地和手機“握手”觸發(fā)快速充電技術了，以第16期提到的新一代超百瓦高速閃充為例，充電1分鐘就能從1%充到10%，5分鐘充到50%（圖13），10分鐘充到80%，15分鐘充滿全部電力。恒流充電的電壓和電流取決于手機和充電頭所支持快充協(xié)議的最大功率，理論上沒有最快，只有更快。

涓流充電階段

當電池電壓達到某個閾值（不同的電壓對應不同比例的電量）后，手機端的電源管理模塊便會通知充電頭降低輸出電流，即進入更安全的涓流充電階段，防止給電池（木桶）“充爆”，涓流充電的電流會隨著電池電壓的提升而不斷變小。

這個閾值的標準是非常寬泛的，比如蘋果就曾一度將iPhone的涓流充電閾值設為80%（圖14），而Android手機廠商則普遍將其設定在90%～95%，這也就解釋了圖1中的幾種快充方案為什么充電曲線在最后都趨于水平了。當電池電壓提升到4.4V后，此時淚流充電的電流也會降到某個數值上，每當這個數值出現就等同于吹響了滿電的號角。

理論上講，增加涓流充電時間有利于延長鋰電池的壽命，但代價就是犧牲了完全充滿電量的等待時間。因此，不少產品可能會采用“UI瞞報”的方案，即手機顯示當前電量已經是100%了，但電池實際電量可能只有98%，需要再充一會才能完全充滿。如果剛顯示100%你就拔下充電線，會發(fā)現99%～100%的電量特別不耐用。

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小結

隨著手機快充功率的不斷提升，需要搭配內阻更小的電芯、轉換率更高的充電IC和電路以及更豪華的散熱方案，而這些改進都能讓鋰電池在涓流充電階段承載相對更大的電流，有利于縮短最后x%的充電時間。但是，我們仍希望手機廠商能將用電安全放在第一位，維系充電耗時與電池壽命的平衡。