Швидке зарядження: що працює вже сьогодні і що чекає нас в майбутньому (частина І)

Великі екрани з роздільною здатністю FullHD+, потужні багатоядерні процесори, цілодобове підключення до 4G та 5G — всі ці речі сприяють тому, що смартфони доводиться оснащувати все більш потужними батареями. Втім, якщо переглядати багато відео чи спілкуватися в соціальних мережах, то навіть акумулятора на 4000 чи 5000 мА-г не завжди вистачає на повний день користування. Тому в останні роки будь-який флагманський смартфон, окрім хорошої камери та потужного процесора, має ще підтримувати функцію швидкого зарядження — і чим швидше воно буде, тим краще.

Фокус виробників на швидкісне відновлення енергії акумулятора зрозуміти не важко — процес вдосконалення та збільшення місткості батарей проходить хоч і безупинно, але доволі повільно. Водночас встановлення дуже високомістких батарей приводить до значного збільшення розміру та ваги смартфону. Тому була обрана стратегія блискавичної підзарядки — замість тривалого часу автономної робити споживач отримує можливість дуже швидко — протягом буквально кількох хвилин — зарядити свій гаджет. В будь-якому випадку, хто ж не захоче мати смартфон, який здатний наповнюватися енергією за 20-30 хвилин замість довгих годин?

Та на жаль, не все так просто. Як відомо, принцип дії акумулятора заснований на зворотній хімічній реакції. Коли акумулятор розряджається, хімічна реакція генерує електрику, а коли акумулятор перезаряджається, хімічна реакція споживає енергію. Щоб зарядити  акумулятор, треба пропустити електричний струм в напрямку, протилежному напрямку струму при розряді.

Принцип дії Li-ion-акумулятора

Загалом зарядження акумулятора відбувається  від джерела постійного струму більшої напруги, але при обмеженні сили струму. Найбільш поширеним вважається зарядний струм (в амперах), пропорційний 0,1-0,2 умовної номінальної місткості акумулятора (в ампер-годинах). Таким чином, процес зарядження може займати 6-12 годин і це найбільш безпечний метод заряду, який підходить для більшості типів акумуляторів.

Тож яким чином тоді можливе швидке зарядження? Щоб зрозуміти це, потрібно трохи знати про те, що називається контролером заряду.

Контролер

Оскільки ми будемо посилатися на вольти, ампери та вати під час нашої дискусії, необхідне коротке пояснення. Вольт –  це міра напруги, ампер – міра струму, а ват – міра електричної потужності. Щоб швидко зрозуміти ці терміни, проведемо аналогію з садовим шлангом: вольт еквівалентний тиску води в шлангу; струм –  витраті води за певний момент часу; а потужність еквівалентна обсягу розпилювача розтруба шлангу. Таким чином, якщо помножити вольти на ампери, отримаємо вати (Вт).

Щоб зарядити акумулятор, треба пропустити через нього постійний електричний струм. І чим більше струм та напруга, тим швидше заряджається акумулятор. Але є певні обмеження – якщо пропустити занадто великий струм, батарея може перегрітися чи навіть зруйнуватися. Напевно, всім відома історія про вибухи батареї в Galaxy Note 7. Контролер зарядження має надійно захистити батарею від небезпечного перевищення струму.

Одна з моделей Samsung, що вибухнула під час зарядки

Мікросхема контролера регулює загальний потік електроенергії на вході та на виході з акумулятора. Взагалі, літій-іонні контролери визначають струм, при якому акумулятор треба заряджати, вимірюючи струм і напругу в комірках акумулятора.

Стандарти USB-зарядження

Швидше за все, ваш смартфон заряджається за допомогою USB-кабелю. Стандарт визначає чотири типи USB, по одному для кожної відповідної специфікації: USB 1.0, 2.0, 3.0 та 3.1. Типовий роз’єм USB 1.0 і 2.0 може забезпечити струм до 5В/0,5А (2,5 Вт), і це небагато.

Наприклад, iPhone заряджається через USB з параметрами 5В x 2A = 10 Вт. Для порівняння, лампочка розжарювання споживає близько 40 Вт потужності. Стандартні порти USB 3.0 забезпечують струм 5В x 0,9A  = 4,5 Вт.

USB-C – реверсивний штекер овальної форми на нових смартфонах – це зовсім інша розробка. Технічно він здатний забезпечити специфікацію USB 2.0, але більшість виробників обирають USB 3.1, який потенційно може надати набагато більшу напругу.

Чимало пристроїв USB 3.1 користуються перевагами специфікації USB-PD, що забезпечує максимальну потужність 20В х 5А = 100 Вт. Смартфони зазвичай не потребують стільки енергії, але це підходить для ноутбуків з гніздом USB-C, таких як MacBook Pro та Google Chromebook Pixel.

Дещо ускладнює справи специфікація зарядки акумулятора через USB-порт. Найновіша специфікація — Rev 1.2 —  визначає три різні джерела живлення: стандартний базовий порт (Standard downstream port  – SDP), порт для зарядження (Charging downstream port – CDP) та виділений (незалежний) порт для зарядки (Dedicated, DCP). Специфікація CDP може забезпечити до 1,5А, а DCP – до 5А.

Повністю сумісні смартфони та зарядні пристрої відповідають  вимогам специфікацій USB 2.0 та BC1.2, та проблема в тому, що не завжди телефони та зарядні пристрої мають 100-відсоткову сумісність. Ось чому по замовчанню смартфони завжди заряджаються на мінімальній швидкості.

Характеристики USB більше схожі на керівні настанови, ніж на рекомендації. Проте, деякі стандарти швидкого зарядження, такі як Qualcomm Quick Charge та Samsung Adaptive Fast Charging, спеціально перевищують параметри напруги, які вказані в USB-специфікації, і саме тому ваш телефон може заряджатися за лічені хвилини, а не за години.

В чому різниця між стандартами швидкого зарядження?

Стандарт USB Power Delivery (USB-PD) був розроблений організацією USB Implementers Forum (USB-IF) і його може використовувати будь-який виробник на своїх пристроях. Він здатний забезпечити потужність до 100 Вт, тому підходить для застосування на будь-яких гаджетах, включно з деякими ноутбуками, що мають USB-C порт.
Водночас USB-PD надає чимало інших переваг. Наприклад, ви знайдете портативні зарядні пристрої для акумуляторів, що мають USB-C порт, який можна використовувати як для зарядки іншого пристрою, так і для зарядки самої акумуляторної батареї. USB-PD також забезпечує саме ту енергію, що потрібна пристрою, тому один й той самий зарядний пристрій стандарту USB-PD міг би заряджати смартфон на максимальній швидкості, а потім також заряджати ноутбук на максимальній швидкості.

Що відбудеться, якщо гаджет під’єднати до адаптера живлення іншого стандарту? Контролер запитає у зарядного пристрою список підтримуваних правил (комбінацій напруги та сили струму) і якщо не знайде потрібних, то або взагалі не буде заряджати батарею, або ж буде це робити на мінімальній швидкості.

Різні виробники застосовують стандарт USB-PD по-різному. Нижче вказано, як використовують його Apple, Google та інші виробники.

Технологія Apple fast charging через USB-PD

Переваги: USB-PD, галузевий стандарт, який доступний у великій кількості пристроїв.

Недоліки: Щоб скористатись ним, вам доведеться додатково витратити гроші, адже Apple не постачає в комплекті зарядні пристрої, сумісні з USB-PD. Крім того, потрібно придбати кабель з перехідником з Lightning на USB-C, який підтримує USB-PD. Адже якщо використати стандартний кабель Lightning з адаптером USB-C на USB-A, то зарядний пристрій буде за замовчуванням працювати на найнижчій напрузі.

Ось що рекомендує Apple:

• USB-C адаптер живлення від Apple потужністю 29 Вт, 61 Вт або 87 Вт.
• Адаптер живлення USB-C від інших виробників, який підтримує живлення через USB (USB-PD).

Смартфони Apple iPhone XS, iPhone XS Max, iPhone XR, iPhone X, iPhone 8 та iPhone 8 Plus підтримують USB-PD. Також той самий галузевий стандарт підтримує й iPad Pro, 12-дюймовий MacBook, Chromebook Pixel від Google і Lenovo X1 Carbon. Сумісність є його найбільшою перевагою – USB-PD не вимагає спеціальних кабелів або адаптерів.

Apple не постачає в комплекті з iPhone адаптер для швидкої зарядки, його прийдеться придбати окремо

Швидкість зарядки

Незалежно від того, який зарядний пристрій USB-C ви купуєте, вам доведеться зіштовхнутися з жорсткими обмеженнями безпеки на вашому iPhone. Телефон швидко заряджається, поки ємність батареї становить від 0% до 79%, але коли показник становить від 80% до 100%, швидкість уповільнюється.

Технологія Google fast charging через USB-PD

Переваги

• Такий комплект USB-PD працюватиме з низкою різних пристроїв.
• Google постачає в комплекті зі смартфоном Pixel зарядний пристрій та кабель.

Недоліки

• Максимальна швидкість не така велика, як у деяких інших виробників.

Підтримувані конектори, кабелі та адаптери

Ви можете застосувати зарядний пристрій і кабель у комплекті з телефоном Pixel, щоб насолоджуватися максимальною швидкістю зарядки. Якщо ви користуєтеся сторонніми аксесуарами, тоді придбайте будь-який адаптер живлення з кабелем USB-C та USB 2.0. Якщо ви маєте USB-C для кабелю USB-A, то він заряджатиме ваш Pixel повільніше, незалежно від адаптера живлення, до якого ви підключаєтесь.

Швидкість зарядки

Батарея моделі Pixel здатна швидко заряджатися від 0% до приблизно 80%, але далі процес сповільнюватиметься. І подібні обмеження ви знайдете для більшості телефонів.

Huawei SuperCharge

Переваги

• Сумісність із USB-PD.
• Ретельні заходи безпеки.
• Адаптери, що входять до сумісних смартфонів.

Недоліки

• Потенційно повільніше, ніж деякі інші стандарти.

SuperCharge, запатентований стандарт зарядки від китайського виробника смартфонів Huawei, вбудований у такі моделі як Huawei P30 Pro, Huawei Mate 20 Pro та Huawei P10. Це дещо схоже з Quick Charge, де для швидшої зарядки використовується напруга вище середнього.

Технічні характеристики та сумісні адаптери

SuperCharge автоматично регулює напругу та струм залежно від стану акумулятора телефону та внутрішньої температури телефону. Старіші адаптери SuperCharge та автомобільні зарядні пристрої підтримують три режими зарядки — 5В/2А, 4,5В/5А та 5В/4,5А (до 22,5 Вт) — і використовують чипсет в зарядних пристроях для регулювання напруги. Остання версія пропонує параметри 10В/4А, тобто потужність досягає 40 Вт.

На відміну від пропрієтарних стандартів зарядки, таких як Pump Express і Dash Charge, Supercharge сумісний із USB-PD. Це стало можливим завдяки протоколу Smart Charge від Huawei, який інтелектуально перемикає режими зарядки залежно від того, який адаптер підключений.

Використання технології Huawei SuperCharge вимагає придбання відповідного адаптера, однак сумісність зі стандартом Quick Charge Qualcomm означає, що будь-які пристрої, сумісні з цим стандартом, можуть скористатися швидкою зарядкою.

Швидкість зарядки

Huawei не дає оцінки швидкості зарядження для технології SuperCharge, але нам вдалося повністю зарядити Mate 20 Pro приблизно за 1 годину та 10 хвилин.

Заходи безпеки

Протокол Smart Charge від Huawei, що є власною частиною специфікації SuperCharge, ідентифікує навантажувальну здатність зарядного пристрою і кабелю та відповідно зменшує напругу.

Крім того, SuperCharge використовує спеціалізовані компоненти, які «оптимізовані для управління струмами більш високої величини, включно з 8-шаровою системою охолодження та спеціальною підкладкою, яка дозволяє пристроям залишатися на 5 градусів за Цельсієм більш холодними, ніж інші стандарти швидкої зарядки. Huawei зазначає, що пристрої SuperCharge проходять 10 тестів на надійність, що охоплюють все: від короткого замикання до екстремальних температур.

(далі буде)

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ:

• Експерти не радять заряджати телефон до 100%, виробники — не мають нічого проти
• Чому бездротова зарядка досі ще не стала популярною? (Тест)
• Як зберігати енергію: найпопулярніші технології (частина І)

По матеріалам Digital Trends