硬核科普!65W和120W快充為啥必須使用雙電芯設計?

CFan 電腦愛好者 2020-09-01 09:48產品 標簽:電芯 電池 智能 系統 手機

為了提升智能手機的續航表現,越來越多的手機開始引入雙電芯設計,從而獲得了足以媲美獨顯輕薄本的65W充電功率,而雙電芯也是當前手機圈全面突破100W超快閃充技術的先決條件,將15分鐘充滿4000mAh電池的夢想照進了現實。

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iPhone X采用了由4.93Wh+5.52Wh兩塊電芯并聯而成的L型電池模組

那么,雙電芯就一定是手機電池的發展趨勢嗎?和傳統的單電芯相比,這種結構的電池系統還有什么優缺點?

樸素的雙電芯設計

在很多人的潛意識中,智能手機里面不都是一塊電池嗎?只是它的形狀有長有方、容量有大有小而已。

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實際上,手機圈早就點亮了雙電池的“科技樹”,比如2012年夏新就曾推出過號稱“永不斷電”的N808,打開這款手機的后蓋可以看到1630mAh和900mAh兩種規格的電池,手機系統可同時顯示這兩塊電池的電量,用戶可以在手機開機的情況下替換其中任意一塊電池,從而實現手機永不斷電的目標。

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我們都知道電池容量越大,智能手機的續航就越長久。

然而,在電池材料技術沒有突破的情況下,它在單位體積內的能量密度和充電倍率是存在上限的,貿然增加容量再疊加時下流行的快充技術存在極大的安全隱患。

因此,一些主打大電池長續航的手機也引入了雙電芯理念,比如金立在2015年~2017年推出的M5/M6 Plus和M2017就分別內置6020mAh和7000mAh電池,它們分別是由2塊3010mAh和3500mAh的電芯并聯而成,并輔以雙充電IC實現了安全且快速的充電能力。

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蘋果也是很早就加入“雙電芯列車”的手機品牌,它在2017年發布的iPhone X采用了雙層堆疊主板,節省出了一小塊內部空間。為了將這部分空間利用上,蘋果定制了由兩塊電芯拼接而成的L型電池,空間利用率達到了極致。需要注意的是,蘋果后期部分型號雖然保留了L型電池,但有些依舊是雙電芯結構,有些則是單電芯結構的L型異形電池,隨著異形電池封裝技術的成熟,蘋果很可能會取消經典的雙電芯設計。

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iPhone 11系列手機的X光照,電池結構一覽無余

究其原因,蘋果和前面提到的雙電池手機在理念上就是很“樸素”的(iPhone并不追求極速的快速充電功率,18W就“夠快了”),只是單純為了在有限的空間里塞進更大更多的電池,以容量換續航。

然而,雙電芯技術其實還有一個隱藏的殺手锏,那就是可以顯著提升充電功率,進一步縮短充電耗時。

那么,雙電芯的這套絕學又是如何實現的呢?

單電芯的物理極限

細心的童鞋應該注意過一個問題,在2019年之前,絕大多數手機品牌的快充技術都保持在18W~30W之間,直到一項名為“電荷泵”技術的出現才全面突破了40W關口,并一路狂奔到50W(小米10 Pro)、55W(iQOO 3)、65W(OPPO Reno Ace、realme X50 Pro 5G、黑鯊3)乃至120W(小米10至尊紀念版,vivo Super FlashCharge 120W)和125W( OPPO)。上述產品或快充技術的功率雖然節節攀升,但你又可曾知道,其中有些卻是單電芯望而不可及的天花板。

鋰電池的理論充電功率

手機內置鋰電池的工作電壓多在3.3V~4.2V之間(電壓會隨電量的消耗而逐漸降低),而鋰電池安全充電時的輸入電壓上限約4.5V(太高會產生過充導致電池報廢)。

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同時,鋰電池對充電電流(單位為mA)也存在限制,近些年手機領域的鋰電池視設計和品質差異,其充電電流普遍會被控制到0.5倍~1.5倍的電池放電電流,如果是1倍就代表1C的充電倍率(充/放電電流大小的比率),1.5倍就是1.5C的充電倍率。

假設一款手機內置了1.5C充電倍率的4000mAh電池,充電時電池的輸入電流最多為4000mAh×1.5C=6A,再用它乘以之前提到的最大輸入安全電壓4.5V,最終得到的就是它所支持的最大充電功率,6A×4.5V=27W。

在現實中,當電源插座內的交流電通過充電器和數據線,輸入到手機內部的電池途中,還會被降壓、轉換電路和內阻消耗部分能量,而這些能量則會以熱量的形式表現出來。換句話說,27W也只是普通鋰電池可以承受的“理論充電功率”,為了避免安全隱患(發熱過高),手機實際的充電功率只會更低。

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因此,在過去的很長一段時間里,智能手機最普及的快充功率多在18W~24W之間,其中還又被細分為“低壓高電流”(高通QC、聯發科PE、華為FCP和USB PD等)和“高壓低電流”(OPPO VOOC和華為SCP等)。那么,如今動輒30W、50W、65W甚至125W快充技術又是如何突破鋰電池的理論充電功率封鎖的呢?

首先就是電芯充電倍率的提升。

得益于陣列式極耳結構(MTW)技術,如今手機電芯可以輕松獲得5倍~6倍的充電倍率(充/放電電流大小的比率),以2000mAh電芯為例,它們的充電倍率就是12A÷2000mAh=6C(對應120W左右)和10A÷2000mAh=5C(對應100W左右)。因此,你會發現所有支持100W以上充電功率的閃充技術都會主打武裝“6C”電池。

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需要注意的是,6C也不是鋰電池的極限,因為不同電子設備,采用鋰電池的充電倍率可能有著云泥之別。以無人機航模電池為例,其充電倍率甚至可以達到20C~40C。

電荷泵打破功率封鎖

提升充電功率最簡單的方法就是提高輸入電壓和輸入電流,但正如前文所述,手機內部的充電IC單元的轉換率最高也只有89%左右,根本“扛不住”高電壓輸入帶來的降壓耗損發熱。此時,一個名為電荷泵(Charge Pump)的技術出現了,我們可以將它理解為新一代充電IC,可將轉換效率從89%提高到98%,從而大幅降低了手機高壓充電時的發熱問題,同時它還具備能將電壓減半的同時電流增倍的天賦技能,結合更高充電倍率的電池,就能實現充電功率的跨越。

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以華為主打的40W SuperCharge快充技術為例,其背后的秘密就是電荷泵。原裝充電器支持10V/4A(40W)輸出,當10V的輸出電壓和4A的輸出電流通過USB Type-C接口送進手機后,手機內部的電荷泵就開始工作了,它能將電芯的充電電壓降到5V,同時還將充電電流從4A提升到8A,最終在手機內部營造出了一個5V/8A低壓大電流的充電環境。

總之,從小米9開始的27W快充、第一代iQOO主打的44W快充,以及其他超過27W的快充技術,幾乎都是得益于電荷泵在背后的推動才最終走向商業化量產的。

電荷泵也有天花板

2020年初,50W成為了新一代旗艦手機快充技術的基準功率,它能將4000mAh容量電池的充電耗時縮短到45分鐘左右??上?,這個等級的充電功率基本就是單電芯結構電池的物理極限了。

小米10 Pro發布時雷軍曾做過科普,稱“在電池體積不變的前提下,需要平衡好充電功率和電池容量的關系。充電功率越高,電池密度下降越快。比如30W閃充提升到50W,電池容量就少了5%。如果要把充電功率進一步提升,單電芯就搞不定了”。為此,小米10 Pro內置了一塊搭載MMT技術的4500mAh定制條形電池,并支持50W(10V/5A)疾速閃充,號稱是單電芯所支持充電功率的極致。

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然而,沒過幾天這個極致記錄就被打破了。iQOO 3同樣采用單電芯設計,而其主打的Super FlashCharge則支持最高55W(11V/5A)快充。這款手機打破紀錄的關鍵,是iQOO 3采用更新一代的雙路分離式IC設計(內置兩個電荷泵IC,iQOO在2019年主打的44W快充也采用了類似的雙IC設計),比單電荷泵IC的轉換效率更高,發熱更低,在充電的過程中可以保持“更長時間”的峰值充電功率。

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之所以強調“更長時間”,是因為手機快充技術的標稱功率只是理論層面的最高峰值功率,在實際的充電過程中,最高功率往往很難達到這個數值,而且當電池電量或溫度達到某個閾值時,充電功率會逐步下降。手機廠商可以根據電池的體質,以及對自家快充技術的自信程度對這些閾值進行微調。因此,現實中才會出現30W快充雖然在前20分鐘沒有40W快充快,但完全充滿電的耗時卻更短的怪現象。

雙電芯讓功率突破天際

雖然iQOO 3讓單電芯的快充峰值功率勉強達到了55W,但在競爭日益激烈的手機市場,55W就夠了嗎?答案自然是否定的,所以我們才會看到已經下嫁到2000元價位的65W快充(realme X7),以及即將全面商業化的120W~125W極速閃充。只是,這種更高充電功率的代價,就是必須將電池一分為二。

雙電芯的充電原理

OPPO在2018年推出的Find X和R17 Pro手機主打的50W SuperVOOC閃充(10V/5A),其背后的秘密就是采用了電荷泵IC以及雙電芯串聯的電池模組,充電時可以讓每塊電芯都以25W(5V/5A)功率輸入,實現了充電效率翻倍的目的。OPPO在2019年發布Reno Ace時還帶來了65W SuperVOOC 2.0閃充(10V/6.5A),同樣是雙電芯串聯,只是每個電芯都能同時以32.5W(5V/6.5A)功率輸入,充電耗時更短。

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前文提到的所有65W以更高功率的快充技術,都采用了雙電芯串聯的電池模組,它們解決了單電芯方案無法長時間維持峰值充電功率,后期必須降速保護電池的缺陷。在安全性上,同樣時間充滿兩塊電芯的風險也要遠遠低于充滿一塊兩倍容量單電芯的風險。

同理,現在所有主打破百充電功率的閃充方案,也會采用多顆電荷泵并聯的設計,提升整套降壓電路的轉換效率。比如vivo主打的120W超快閃充就延續了兩顆電荷泵充電IC的設計,每個電荷泵轉換20V/3A大約60W的功率。

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而OPPO新一代125W超級閃充更是采用了并聯三電荷泵方案,將充電頭傳輸過來的20V/6.25A經過三電荷泵降壓轉換成10V/12.5A進入電池(兩個電芯平均分配5V/12.5A),每個電荷泵只需轉換20V/2.1A大約42W左右的功率,有效地避免了大電流造成的電荷泵過載、過熱。

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小米10至尊紀念版采用了全新的4:2大功率充電架構,通過將大電流分解為雙路小電流充電,不僅降低充電通路的阻抗,同時還提升了整體的轉化效率。在兩條充電通路上分別搭載超高效的定制電荷泵充電芯片,組成雙電荷泵并聯架構。其中,兩顆轉化效率高達98.5%定制電荷泵,不僅使充電轉化率更高,充電的穩定性也大幅度提升。在120W大功率充電過程中,將兩路20V 3A的高電壓電流轉化為兩路10V 6A的低電壓電流,最終匯流成10V 12A的大電流輸入電池。

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雙電芯的后遺癥

問題來了,兩個電芯串聯會導致電壓翻倍,而手機鋰電池的正常輸出電壓(為手機內各元器件供電)應該是5V左右,因此這種電池模組還需要專門的降壓電路將串聯雙電芯的輸出電壓減半。這個多余的步驟,勢必會增加能量的耗損,對續航造成一定的影響,哪怕這個降壓電路引入了電荷泵技術也難以100%消除。

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為此,黑鯊3系列手機曾提供了另一種解決思路,那就是“串充并放雙電池系統”。簡單來說,就是當黑鯊3的電源管理系統檢測到有原裝充電器插入時(需觸發65W快充協議),雙電芯模組以串聯的模式充電,每個電芯同時享用32.5W(5V/6.5A)的充電功率。在其他狀態下,黑鯊3的電源管理系統會將雙電芯模組切換到并聯的模式放電,此時無需專門的降壓電路,內阻更低,效果等同于讓電池釋放出更多的電量。

小結

隨著未來更多旗艦手機列裝65W、120W或更高功率的快充技術,雙電芯設計也將逐漸走向成熟。同時,多電荷泵IC雙路分離式設計也有望得以普及,最終讓手機獲得更快更安全的充電體驗,也許“充電10分鐘,游戲5小時”就是明年最流行的廣告詞呢。

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