快充降临 缩短等待时间提升续航表现

《电脑爱好者》2018年第8期 2018-09-03 14:43专题 标签:续航 快充

如今的智能手机都在追求轻薄性感且减轻压手感,所以电池容量普遍都在3000mAh到4000mAh之间。在电池容量无法突破的情况下,缩短充电时间就是改善续航表现的发展方向了(图1)。比如“充电5分钟,通话2小时”的广告就是快充功效的最佳诠释。

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*****来自新材料的希望*****

在上个章节中我们讲过锂电池的构成。很遗憾,现阶段还没有从结构上的替代方案,在电池体积不变的基础上想让电池的能量密度翻几倍是不现实的。但是,如果从提升充放电效能的思路入手,还是被电池行业抓住了一丝曙光。

石墨烯参上

在锂电池的正极、负极、电解液和隔膜中,电荷运动的快慢主要就受制于正负极的材料。好消息是,科研人员很早就发现了一种名为“石墨烯”的材料(图2),可以显著提升锂电池的可靠性(耐高温,循环寿命更长)和充电速度(允许更大的电压和电流输入)。

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石墨烯就是把石墨中的堆叠的碳原子分离成单层或者双层,比如铅笔在纸上留下的痕迹就可能是几层甚至是单层石墨烯

石墨烯电池

为了增加噱头,很多厂商在发布含有石墨烯材料的锂电池时,厂商或媒体都会将其称为“石墨烯电池”。实际上,“石墨烯电池”的称呼是不够严谨的。

原因很简单,石墨烯是一种非常昂贵的材料,成本曾被抄到每克5000元,如果将其替换锂电池的全部正负极材料,除了军事和科研行业,消费级市场是根本负担不起的。现在已经亮相的各种“石墨烯电池”、“石墨烯充电宝”,其原理只是将石墨烯作为传统正负极材料中的“添加剂”(导电剂或电极嵌锂材料),就好像化学反应中的催化剂一样来提升锂电池电极的导电性,从而实现让充电时间大幅缩短的目的。

比如华为早前发布的“石墨烯基锂离子电池”就主打更高的可靠性,该技术的突破源于三个方面:在电解液中加入特殊添加剂,除去痕量水,避免电解液的高温分解;电池正极选用改性的大单晶三元材料,提高材料的热稳定性;同时引入新型材料石墨烯,用于实现锂离子电池与环境间的高效散热(图3)。实验结果显示,以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高10℃,使用寿命是普通锂离子电池的2倍。

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手机商用尚需时日

虽然石墨烯是一种已被认可的锂电池“添加剂”,但距离它在手机领域全面商业化量产却还有一段路要走(图4)。因为石墨烯的形态、在传统锂电池中扮演的角色(作为正极还是负极的添加材料)都会影响最终的充放电性能,尚缺乏统一的认证和标准。比如,三星的“石墨烯电池”就主打更快的充电速度:三星所申请的专利是一种用硅石来合成像三维爆玉米花一样的“石墨烯球”,然后将这些“球”用作锂离子电池的材料,可将电池容量提高45%,而充电速度提高至现有标准的5倍。

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好消息是,在充电宝领域,石墨烯材料已经被应用在了很多新品上,此类产品的电池容量普遍在5000mAh到10000mAh之间,在电池的正极材料中加入了石墨烯提升了电极的导电性。同时,配合原装的12V/5A充电器(输入功率可达60W),可以在15分钟内充满5000mAh,40分钟内充满10000mAh电芯(图5)。可惜,石墨烯充电宝的价格普遍要比同容量的传统产品贵3倍左右,原装充电器体积硕大(图6),高速充电时发热量较高,对充电宝这种设备而言安全可控,但要放在更精密的手机领域,其在安全性上却还有很多的难点没能攻克。

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扩展阅读:石墨烯的广泛用途

石墨烯的基本形态是呈晶格的单层碳原子片,除了优化电池性能外,这种材料还可用于柔性显示器、可穿戴设备和其他下一代电子设备。比如魅族就在2018年2月申请了一份以石墨烯柔性屏幕为载体的手机专利:凭借石墨烯材质屏幕拥有高透光率、低电阻率、耐摔耐撞及可弯曲等特性,成功将阻碍全面屏产品突破极限的前置摄像头、光线距离传感器等元器件集成在了石墨烯柔性屏之下,从而完成更高屏占比的全面屏设计。

既然智能手机短期内无法借助“石墨烯”提升充电速度,那各个厂商还有哪些手段来缩短充电时的等待时间呢?

*****渐入佳境的快速充电技术*****

在锂电池充电的过程中,其背后就是锂离子从正极排出并快速的嵌入负极(图1),不能造成锂离子的沉积,这个过程越快就意味着充电时间越短。为了加速锂离子的迁移速度,手机行业逐渐流行起了三种快充方案:

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A:电压不变,提高电流(低压高电流);

B:电流不变,提升电压(高压低电流);

C:同步提高电流和电压(高压高电流)。

下面,我们就看看智能手机领域是如何在这三种快充方案间取舍沉浮的。

迈过10W的“快充”门槛

在上个章节中,我们介绍过智能手机电池充电需要经历的三个阶段,恒定电流预充电、恒流调节模式和恒定电压充电。而要想提升锂电池的充电速度,就必须在“恒流调节模式”下加以改进。

以Android系统手机为例,早期产品的电池容量普遍在900mAh~1500mAh之间(图2),而标配充电器的输入参数也多以5V/1A为主,最高可以实现5W的充电功率,完全充满电力需要2.5个小时到3个小时之间。随着大屏手机开始流行,电池容量也纷纷突破2000mAh大关,但随之而来的则是充电耗时的延长。

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以三星第一代Galaxy Note(i9220)为例(图3),这款产品武装了当时最大的5英寸屏幕,电池容量也达到了2500mAh,但充电器规格依旧是5V/1A,所以其充电时间长达4.5小时左右。长此以往,当手机电池容量达到3000mAh甚至4000mAh时,难道就必须整宿充电了吗?

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高通是最早认识到这个问题的芯片供应商之一。早在2013年高通就提出了“快充”的概念,Quick Charge 1.0(下文简称QC1.0)就此诞生。QC1.0通过提高输入电流来提升充电效率,支持5V/2A即最大10W的充电功率,突破了USB-IF关于USB Battery Charge 1.2协议1.5A的电流上限,符合“低压高电流”方案的定义。同一年,华为在第一代Mate手机身上也引入了“快充”概念,同样支持5V/2A输入,3.5小时以内就可将4050mAh电池充满。

可以说,5V/2A是智能手机快充道路上的一个关键节点,它让手机在电池变大的同时充电等待时间也变得不再难以接受。然而,随着智能手机纷纷以5V/2A充电纳入最低标准时(图4),10W充电功率就不再符合“快充”的定义了,并逐渐沦落为“普充”甚至“慢充”。

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高压低电流快充的崛起

2013年,高通在QC1.0的基础上提出了QC2.0的概念(图5),将“高压低电流”方案进一步升华。可以说,QC2.0是快充历史上普及度最高,影响力最大的标准,哪怕是三星2018年度旗舰Galaxy S9采用的依旧是5年前诞生的QC2.0。

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QC2.0之所以影响深远,是因为它无与伦比的兼容性。Micro USB是智能手机的标配,但它受制于物理接口的限制,一旦超过2.5A的电流就容易出现损毁。市面上随便买一根廉价的MicroUSB数据线,其安全电流耐受范围也是不大于2.5A。

QC2.0聪明的地方就是绕过了Micro USB接口和数据线的制约,只是通过暴力地增加输入电压来提升充电速度。简单来说,QC2.0通过USB端口的D+和D-两个信号实现通讯和调压,新增对9V、12V和20V(用于平板电脑,非常罕见)电压的支持,最大支持9V/2A和12V/1.5A即18W的充电功率,并向下兼容传统的5V/2A输出。这意味着QC2.0充电器可以适配更多老旧手机和数码设备(图6),也能抵消劣质/较长的充电线带来的电压损耗,从而保证充电的效率。

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出于安全和经济利益上的考虑,高通还为QC2.0制定了更为严苛的认证规则:

手机端内集成的电源管理IC可以动态检测电池电量,根据预置方案决定所需的充电电压,并向充电器端发出升压或降压的信号;

充电器端也需要集成专用的识别IC(图7),用于和手机内电源管理IC相互认证。认证成功则“握手”,并按照手机端发出的升压或降压的信号实时调整电压参数。如果认证失败则“撒手”,保持默认的5V输出。

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高通的QC2.0快充技术给了同行们参考借鉴的思路,并展开了一轮轰轰烈烈的“圈地运动”。

快充方案的“圈地运动”

作为高通的最主要竞争对手,联发科在高通提出QC快充技术不久,也推出了自家的Pump Express(下文简称PE)快充技术(图8),而随后的Pump Express Plus(PEP)则对应QC2.0,至于PE和QC的最大差异是前者改用VBUS上的电流脉冲来进行通讯和调压。除了联发科,华为也拿出了Fast Charger Protocol(FCP),它们的共性是全部基于“高压低电流”方案衍生而来,而三星Fast Charge、vivo的双引擎闪充和魅族MCharge等品牌主打的快充技术,则大都是基于QC或PE方案的“马甲”。

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手机厂商对自家的快充技术起名字(如FastCharge和MCharge)是为了便于宣传,而芯片商推出各自的快充技术则是为了“圈地”,比如QC、PE和FCP等技术原理完全相同,硬件端理论上是可以相互兼容的,只是因为“握手协议”不同,需要和指定授权的充电器(包括充电宝)搭档才能激活快充(图9)。

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没错,快充方案的“圈地运动”本质上就是用于提升影响力,并通过授权外设盈利的一种手段。

高压低电流快充的困局

高压低电流快充方案虽然兼容性出色,但它却存在一个致命的问题,充电器端输出的电压再高,进入手机端后也需要转换成与电池匹配的电压(约4.0V)。这就导致输入电压越高,转换效率越低,而损失的功率将会被转换为热量,从而影响到手机的安全和稳定性。

因此,很多Android手机厂商虽然采用了QC2.0快充技术,但标配充电器却仅支持9V/1.5A或12V/1.2A,远远低于QC2.0的理论最大值。同时,无论是QC2.0、PEP还是FCP,只有手机处于待机(黑屏)状态时才能“满血充电”(图10),一旦手机亮屏后,充电功率就会下降到10W左右(图11),其初衷就是降低发热避免隐患。

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与此同时,高通和联发科在2015年还先后祭出了QC3.0和PE2.0快充技术,它们和上代QC2.0/PEP相比,输入电压不再是非A即B(暴力地在5V/9V/12V等整数间直接切换),而是允许输入电压在3.6V到12V之间,以200mV(QC3.0)或500mA(PE2.0)为步进单位进行微调,在充电速度和发热对应的曲线中找到最合理的那个节点,弥补高压低电流快充方案转换率偏低的耗损和发热。

现实是很残酷的。随着消费者对快充体验变得越加看重,高压低电流快充方案已经走到了尽头,而另一种低压高电流快充方案则逐渐被市场认可,走上了从小众到普及的逆袭之路。

低压高电流快充的逆袭

提到低压高电流快充方案,OPPO算是扮演了开拓者的角色。早在2014年,OPPO就推出了“VOOC闪充”并将其应用在旗舰Find7身上。VOOC闪充最大的特色就是支持5V/4.5A输入,充电功率可达22W,30分钟就可将电池从0恢复到75%,并造就了“充电5分钟,通话2小时”的经典广告台词(图12)。

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低压高电流快充方案的优势还体现在可靠性上:由于输入电压和电池电压相差不多,所以几乎没有电压转换的过程,快充时只有很少的功率被转换为热量,主要的发热源也从手机端转移到了充电器端。因此,哪怕手机处于亮屏状态,依旧可以进行满血快充(即所谓的“边玩边快充”),只有在玩游戏手机热量上升时才会降低充电电流。

可惜正如前文所说,标准的Micro USB接口和数据线都无法安全承载超过2.5A以上的电流。所以,OPPO重新为VOOC闪充定制了与众不同的硬件:7针Micro USB接口(标准Micro USB只有5针,多余针脚起到协议识别和大电流传输的作用)(图13)、8金属触点的电池、相对应的内部MCU电路以及专用的充电器。由于实现VOOC需要较高的物料成本,所以这种低压高电流快充方案并不被业界看好,在未来的很长一个时期内只有OPPO孤军奋战。

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随着USB Type-C接口标准的出现,低压高电流快充方案普及的契机出现了。

USB Type-C接口内部拥有24个针脚(图14),可以识别更为复杂的认证协议,并支持最高100W的充电功率。同时,USB Type-C数据线普遍可以承载3A以上的电流,一些品质较高的数据线甚至支持5A或更高,困扰VOOC闪充的接口线缆问题就这样被解决了。

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于是,一加带来了Dash闪充(5V/4A,如一加5T)、华为实现了SuperCharge超级快充(5V/4.5A,如Mate 10),魅族也推出了mCharge4.0(5V/5A,如Pro7 Plus)(图15 )。如果这些由手机厂商主导的快充技术还说明不了什么,那高通和联发科的态度则可让快充技术的未来更加明朗。

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VOOV、Dash和SuperCharge快充接口对比,本图来自充电头

高通和联发科在2016年分别发布了旗下最新的QC4.0和PE3.0技术,除了兼容USB PD(谷歌强制要求)以外,全部引入了低压高电流快充技术。

其中,高通QC4.0取消了12V电压档,最大支持5V/5.6A和9V/3A输出,电压支持以20mV为单位进行微调(图16)。随后发布的QC4.0+则加入了双充装置(通过一个电源管理集成芯片可以将电流分成两半,使芯片散热速度加快从而减少充电所需时间)和智能热平衡功能(自动让电流选择双充中温度较低的路径,让设备在快速充电的同时保持低温)。

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联发科PE3.0支持的电压范围在3V到6V之间(图17),同样能以20mV为单位进行微调,而输出电流最高可达5A,最高充电功率可达30W。

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那么,低压高电流的极限是多少?华为在2016年底推出的荣耀Magic可能就是正确答案。这款手机采用了名为“HUAWEIMagic Power”的快充技术(图18),可以实现最大5V/8A即40W的充电功率!

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小提示

能否让快充以“满血”状态进行,对数据线的要求极高。像VOOC闪充只支持原装数据线,而其他快充方案则兼容标准Micro USB(高压低电流)或USBType-C(低压高电流)数据线,只是USB Type-C数据线的品质会决定它能承载多大的电流,购买兼容USB Type-C线时要挑选支持5A输入的。

总之,低压高电流快充方案拥有更高的转化率、发热低、可边充边玩等优势,取代高压低电流已经成了大势所趋,市面上很多高端旗舰已经逐渐猎装这一技术,而QC、PE、FCP等快充技术则逐渐下放到千元级别的入门产品身上,加速快充在整个智能手机领域的普及。

****扩展阅读:充电速度对比****

对电池容量为3000mAh的手机而言,使用5V/2A、QC3.0、VOOC、和Magic Power充电速度对比如下:

5V/2A:10分钟7%,60分钟60%、100分钟90%、110分钟全部充满;

QC3.0(9V/2A):10分钟15%、30分钟50%、60分钟90%,80分钟充满;

VOOC(5V/4A):10分钟20%、30分钟60%,50分钟90%,75分钟充满;

Magic Power(5V/8A):10分钟45%、30分钟90%、50分钟充满。

从这个结果可见,在充电功率相近的前提下,低压高电流和高压低电流方案完全充满电的时间相差无几。实际上,各种快充技术比拼的也是前10分钟和30分钟内可以充入电量的多少,从这个角度来看还是低压高电流的效率更高。

****扩展阅读结束****

高压高电流代表未来

虽然低压高电流是当下高端Android手机最爱的快充方案,但本着“没有最快,只有更快”的发展趋势,它注定也是要被历史淘汰的。而有望一统未来快充江湖的,就将是“高压高电流”方案。

比如,魅族就曾在2017年的MWC大会上展示了旗下第三代快充技术——SupermCharge(图19),它支持11V/5A高压直充,最大充电功率可达55W!它的背后是电荷泵原理,内部IC只有两组电路,转换效率高达98%,全新定制的安全电芯可以做到800次循环充放电后依然拥有 80%以上容量,足够用户正常使用两年左右。但是,Super mCharge需要重新定制数据线和USB端口(图20),至今还停留在概念阶段,并没有实际产品将其猎装。

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另一方面,在谷歌的牵头下,各大快充方案的最新版本都开始逐渐兼容USB Type-C接口和USB PD协议,这就为因“圈地运动”而导致隶属不同快充阵营的手机/充电器之间无法握手的难题有了解决希望。比如,高通QC4.0+的充电器就能触发iPhone X的快充,背后就是源于免费的USBPD协议。

USB PD最高支持100W的充电功率,从而为智能手机实现高压高电流奠定了物理基础。

还记得前文提到的石墨烯充电宝吗?它们之所以可以实现12V/5A、20V/3A的60W充电功率,就是大都建立在支持USB PD 3.0协议的基础上(还有部分产品采用笔记本AC电源充电,无特殊协议)。根据很多网友的反馈,称任天堂Switch、MacBook、联想笔记本、戴尔笔记本或惠普笔记本等自带的USB-C电源适配器都能为此类石墨烯充电宝快速充电,足以印证USB PD协议在兼容性方面的潜力。

扩展阅读:快充都是可选项

快充技术往往属于可选项。比如,高通骁龙835支持QC4.0+,但市面上搭载骁龙835且唯一支持该快充技术的就只有雷蛇手机,其它品牌出于成本的顾虑大都选择QC3.0或QC2.0与其搭配。USB PD协议也算是USB Type-C接口的特性之一,但它也是可选的充电标准,比如一加5T虽然采用USB Type-C接口却仅支持DASH闪充,不兼容USB PD。

未来,当石墨烯材料在智能手机领域普及后,借助USBPD协议实现超过40W的充电功率并非难事。一起期待吧!

火速链接:如何选择快充外设

考虑到很多家庭同时存在不同品牌不同快充协议的手机,所以在选择第三方充电器/充电宝时总会很不甘心,有没有一款外设就兼容全部快充协议的产品呢?很遗憾,至少目前还没有全兼容的产品,充电器领域出现了兼容QC2.0、QC3.0、FCP、SFCP、MTK PE、MTK PE+、USB bc1.2七大主流快充协议的型号,而充电宝领域则有兼容VOOC、DASH、QC3.0、QC2.0和USB PD协议的产品(图21),我们必须根据现有手机进行取舍。有关与快充相关外设的选购问题,CFan会在近期杂志上加以详述,感兴趣的朋友敬请关注。

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