Как работает самая быстрая зарядка смартфона. Или что такое OPPO SuperVOOC?

Признаюсь, эта статья родилась спонтанно. Я уже давно хотел рассказать о том, как работает быстрая зарядка на смартфоне, вредна ли она и почему, но всё как-то руки не доходили. Было много других интересных тем.

Но во время работы над обзором OPPO Reno4 Pro, меня просто поразила технология быстрой зарядки SuperVOOC 2.0 и я решил отставить на время сам обзор, погрузившись в исследование данной темы. А чтобы уже «не вставать дважды», расскажу не только о SuperVOOC, но и принципе работы всех быстрых зарядок.

И вначале попробую вас немного заинтриговать:

• Зарядка SuperVOOC заряжает мой телефон с аккумулятором на 4000 мАч за 28 минут.
• В процессе зарядки корпус смартфона не нагревается до высоких температур. Ощущается теплым — не более того.
• Блок питания на 65 Ватт также не перегревается, а по размерам он лишь на несколько миллиметров крупнее 33-Вт блока питания от Xiaomi.
• SuperVOOC работает даже под высокой нагрузкой. Если разрядить смартфон до нуля, а затем включить в зарядку и параллельно запустить тяжелую игру (PUBG), то полное время заряда составит 57 минут! Телефон при этом не будет обжигать руки.

Как это всё возможно!? И нет ли здесь подвоха? Другими словами, не случится ли так, что через год пользования такой быстрой зарядки, от аккумулятора останется лишь половина его первоначальной емкости?

Как обычно, начнем разбираться с азов!

Как вообще работает зарядка батареи смартфона?

Подробно об этом я рассказывал в отдельной статье, но для тех, кто ее не читал, вкратце объясню суть.

Аккумулятор — это такая «коробочка», разделенная на две секции (анод и катод) специальным материалом, называемым сепаратором. А сепаратор пропитан веществом под названием электролит:

В первой секции (на катоде) находится огромное количество атомов лития. Атом — это такая мельчайшая деталька, из которой строится всё, что нас окружает. У атома есть ядро, вокруг которого летают электроны, а в самом ядре находятся протоны:

Электроны всегда имеют отрицательный заряд («минус»), а протоны — положительный («плюс»). Если от атома оторвать электрон («минус»), то протонов («плюсов») окажется больше и мы назовем такой атом положительным ионом.

Главное, что нужно знать об отрицательных электронах и положительных ионах — они всегда притягивают друг друга. Если у атома не хватает электронов, он постарается заполучить их. Хотя, здесь и стараться-то нечего, ведь электроны будут сами стремиться к нему.

Теперь на секундочку вернемся к сепаратору с электролитом. Главное его свойство заключается в том, что электролит свободно пропускает через себя положительные ионы («положительные заряды»), но блокирует движение электронов («отрицательных зарядов»):

Во время зарядки происходит следующее. Мы подаем на первую секцию (катод) мощный положительный заряд (плюс) от сети, а на вторую секцию (анод) — отрицательный (минус):

На катоде происходит химическая реакция, в результате которой материал катода (оксид лития-кобальта) теряет электроны, так как их «высасывает» зарядка. Ведь электроны — это отрицательно заряженные частицы и они притягиваются более мощным положительным зарядом из блока питания. В результате ионы лития выходят из структуры оксида лития-кобальта, так как пропали электроны, удерживающие их в составе оксида лития-кобальта.

В то же время, блок питания «вливает» из сети множество электронов во вторую секцию (анод) и там накапливается большой отрицательный заряд. Если бы не электролит, эти электроны сразу же перешли бы к катоду и снова заняли свои места в материале катода.

Но так как они не могут этого сделать, положительные ионы лития проходят через электролит и уже там воссоединяются со своими электронами в составе анода (графита):

Когда батарея смартфона была полностью разряженной, в первой секции (на катоде) находилось множество атомов лития в составе материала катода. Но после зарядки все атомы лития, которые потеряли свои электроны, переместились во вторую секцию и соединились там с электронами в составе анода:

Когда мы отключаем блок питания, положительно заряженный кобальт (во время зарядки именно он терял электроны, из-за чего и увеличивал свой положительный заряд) начинает всеми силами притягивать электроны с анода.

Но, опять-таки, они не могут пройти через электролит. Однако выход есть! Мы соединяем две секции батарейки (анод и катод) «проводом», который проходит через все компоненты смартфона (экран, динамик, процессор и другие).

Как только электроны «увидели» обходной путь, они сразу же оторвались от анода и устремились по нему, чтобы занять свое место в составе катода. Следом за ними через электролит «поплыли» и оставшиеся ионы лития. А движение электронов — это и есть ток, который нужен смартфону для работы:

В конце концов, на аноде снова не останется ионов лития, так как они «переплывут» через электролит на катод. И опять мы придем к ситуации, когда в первой секции будет полно атомов лития, а во второй — пусто. Снова нужно подключать зарядку, чтобы всё повторить и «перегнать» атомы лития к аноду.

Вот, собственно, и весь процесс! Теперь перейдем к быстрым зарядкам.

Как работают «классические» быстрые зарядки. Поговорим о напряжении и токе

У каждого аккумулятора есть важнейший параметр — его напряжение. Чтобы лучше понимать, что такое напряжение, просто представьте, что это «давление», с которым батарейка пытается вытолкнуть электроны из второй секции (анода) к первой (катоду).

Чем выше это давление, тем быстрее будут проталкиваться электроны. И не думайте, что они вылетают из батарейки, проносясь по проводам со скоростью света. Это далеко не так. В реальности электрон «ползет» по проводу со скоростью 3 метра в час!

Так вот, все смартфоны используют литий-ионные аккумуляторы с напряжением около 3.6 вольт. То есть, батарейка любого смартфона будет выталкивать электроны под одним и тем же «давлением».

Например, если у нас есть лампочка, которая работает от 2 вольт, то для ее питания нужна батарейка, способная проталкивать электроны под соответствующим «давлением». И если напряжение батарейки будет 1 вольт, то такого давления не хватит, чтобы протолкнуть через лампочку электроны и она работать не будет. Если напряжение батарейки будет 9 вольт, такое давление просто «разорвет» лампочку и она сгорит.

Так же и со смартфоном. Ему нужно определенное «давление» (напряжение) для работы. Откуда берется это давление? Вспомните еще раз две секции батарейки. Когда она полностью заряжена, на аноде очень высокий отрицательный заряд (множество свободных электронов), а на катоде — положительный. Вот эта разница и создает давление (напряжение) между двумя секциями и электроны с одной секции будут вылетать под этим напряжением.

Батарейка смартфона считается полностью разряженной, когда ее напряжение падает чуть ниже 3 вольт. Несмотря на то, что напряжение в батарейке еще есть, этого давления (скажем, 2.6 вольт) уже не хватит для работы всех компонентов и смартфон отключает питание от аккумулятора.

Соответственно, когда аккумулятор полностью заряжен, его напряжение увеличивается, ведь мы делаем так, чтобы в одной секции оказалось больше электронов, а в другой — положительных ионов. Оно поднимается где-то до 4.2 вольта. Это и есть «заряд 100%», который отображается на экране смартфона. Соответственно, напряжение 3.6 вольт — это где-то около 50% заряда.

Вот так аккумулятор и живет, то поднимая напряжение до 4.2 вольта (полностью заряжен), то опуская где-то до 2.7 вольт (полностью разряжен).

Но есть еще одна важная деталь. Давление само по себе не имеет никакого смысла, если «не на что давить». Зачем нам давление в трубе, если там нет воды? С напряжением ровно то же.

Давление нужно для того, чтобы «толкать» электроны. Так вот, количество этих электронов мы измеряем в амперах (сила тока). Чем больше ампер — тем физически больше электронов проходит по проводу. Под одним ампером подразумевается колоссальное количество электронов — 6241 квадриллион (то, что идет после триллиона) отрицательно заряженных частичек!

А теперь посмотрите, что происходит с напряжением и током на аккумуляторе смартфона во время зарядки:

Весь процесс делится на две фазы (на самом деле — 4 фазы, но нас интересуют только две основные). Вначале на аккумулятор подается максимальный ток (зарядка заталкивает квадриллионы электронов) и постоянно нарастает напряжение. Когда напряжение достигло максимума (где-то 4.3 вольта), наступает вторая фаза.

Еще раз, пока на аноде мало электронов, они могут с легкостью туда залетать (первая фаза), но когда напряжение уже максимально и анод «забит под завязку» электронами, становится всё труднее заталкивать туда новую порцию электронов. Поэтому сила тока (амперы) очень сильно падает. Когда сила тока опускается до определенного значения, смартфон отключает зарядку, чтобы не навредить аккумулятору.

Весь секрет быстрой зарядки состоит в том, чтобы во время первой фазы протолкнуть как можно больше электронов. Скажем, чтобы по проводу проходило не 6 тысяч квадриллионов электронов, а 12 или даже 20 тысяч квадриллионов в час. Ведь на аноде еще полно свободного места.

Это можно сравнивать с автобусом. Когда в нем нет ни единого человека, первые пассажиры могут очень быстро зайти и занять свое место (первая фаза зарядки). Но когда автобус набит людьми, новым пассажирам приходится проталкиваться внутрь с огромными усилиями и скорость наполнения автобуса людьми очень снижается (вторая фаза).

Первая фаза — это до 80% всего заряда смартфона, а вторая — остальные 20%.

Именно поэтому быстрая зарядка заряжает телефон «быстро» вначале, а под конец притормаживает.

Если медленная зарядка во время первой фазы проталкивает 1 ампер в час, то быстрая старается использовать первую фазу максимально эффективно и заталкивать туда 3-4 ампера. Напряжение при этом остается стандартным — чуть меньше 5 вольт. Именно поэтому для смартфона всегда используются блоки питания на 5 вольт.

Но подождите-ка, какие еще 5 вольт? На моей зарядке ведь четко написано: 5V — 2A, 9V — 3A. Более того, есть зарядки, на которых вообще написано 12V. Получается, не все аккумуляторы смартфонов заряжаются от 5 вольт?

«Быстрые» блоки питания на 5, 9, 12 и 20 вольт

Дело в том, что ток неразрывно связан с теплом. Когда электроны движутся по проводу, они сталкиваются с другими атомами и молекулами провода, из-за чего часть энергии передается этим частичкам и выделяется тепло.

Узнать количество этого тепла очень легко! Согласно закону Джоуля-Ленца, оно равняется квадрату силы тока, умноженному на сопротивление провода.

Проще говоря, если наш блок питания будет выдавать силу тока в 1 ампер, то USB-кабель будет незначительно нагреваться. Но если мы увеличим ток в 2 раза, то есть, будем подавать 2 ампера, то нагрев увеличится уже в 4 раза. А 4 ампера будут нагревать провод в 8 раз сильнее.

Так недалеко и до того, чтобы расплавить провод! Поэтому подавляющее большинство всех USB-кабелей рассчитаны на ток до 3 ампер.

Что же делать!? Как передать по проводу не 3 ампера, а 4-5 и больше, чтобы побыстрее завершить первую фазу зарядки?

Можно, конечно, вместо метрового кабеля для зарядки использовать 10-сантиметровый. Таким образом мы сократим сопротивление, чем снизим и нагрев (напомню, нагрев это I²*R, где I — сила тока, а R — сопротивление провода). Но это не выход.

Почему быстрая зарядка нагревает телефон? Или что такое мощность тока

Можно поступить гораздо проще! И на помощь нам приходит мощность тока (скорость передачи энергии). Это те самые ватты, о которых говорится во всех обзорах и характеристиках смартфонов. У кого-то зарядка выдает 5 Ватт (iPhone), у кого-то 25 Ватт (Samsung), а где-то есть и 65 Ватт (OPPO).

Так вот, мощность (ватты) — это напряжение, умноженное на силу тока. Если напряжение 5 вольт, а сила тока — 2 ампера, тогда мощность равняется 5*2 = 10 Вт.

Именно поэтому быстрые зарядки и научились передавать 5 и больше ампер по проводу, который не выдерживает >3 ампер. Вместо того, чтобы отправлять 5 ампер под напряжением (давлением) в 5 вольт (мощность 25 Вт), быстрая зарядка «толкает» всего 2 ампера, но под напряжением в 12 вольт и смартфон получает примерно ту же мощность ~25 Вт.

Становится действительно жарко…

Но что происходит дальше внутри смартфона? Он получил на вход 12 вольт и 2 ампера, а батарейку необходимо заряжать ~5 вольтами. Значит, нужно конвертировать 12 вольт и 2 ампера в 5 вольт и 5 ампер.

Это довольно «горячий» процесс, который и является одним из источников тепла во время зарядки.

C-rate аккумулятора или почему нельзя использовать ток в 50 ампер

Мы уже разобрались, что весь смысл быстрой зарядки заключается в том, чтобы «затолкать» как можно больше ампер (электронов) в первой фазе. Но не возникает ли у вас закономерный вопрос — почему бы не использовать 10 или 50 ампер? Представьте, 5 вольт и 50 ампер дадут зарядку мощностью в 250 Ватт!

К сожалению, не всё так просто, ведь у батарейки есть свое внутреннее сопротивление. Конечно, никто специально туда не устанавливает никаких резисторов (резистор — это такая деталька для увеличения сопротивления).

Сопротивление аккумулятора — это его химические реакции

Чем выше будет ток, тем больше мощности будет уходить на тепло и при определенной силе тока батарейка может вообще взорваться. Высокая температура может уничтожать сепаратор, а если в нем появится брешь, все электроны мгновенно устремятся не по проводу, а напрямую из одной секции аккумулятора в другую. И добром это не кончится (можно вспомнить Galaxy Note 7).

Кроме того, высокая температура под высоким напряжением (более 4 вольт) способствует ускоренному образованию очень вредных «пленок» со стороны анода и катода. Подробно об этом я рассказывал в уже упомянутой ранее статье.

Так какой же ток является безопасным? Для каждого аккумулятора он свой и выражается в так называемом C-rate или просто показателе C. Это очень простая для понимания концепция.

Если у нас есть аккумулятор емкостью 3000 мАч (или 3 ампера в час) с показателем C-rate = 1C, это значит, что такой аккумулятор нельзя заряжать током выше 3 ампер. Если бы тот же аккумулятор имел 0.5C рейтинг, то для него безопасным током являлось бы 0.5*3000мАч = 1500 мАч или 1.5 ампер в час.

Раньше все аккумуляторы имели C-rate около 0.5-0.8C. То есть, смартфоны 10-летней давности с аккумуляторами на 2000 мАч, можно было заряжать током от 1 до 1.6 ампер в час.

Современные аккумуляторы позволяют заряжать током до 2C! То есть, батарея емкостью 3500 мАч, может выдержать без серьезных последствий ток до 7 ампер (3500 мАч * 2C)! Такие показатели достигаются самыми разными путями (больше электролита, другой его химический состав, более толстые проводники и так далее). И это напрямую влияет на скорость зарядки:

Таким образом, нужно понимать одну важную вещь:

Современная быстрая зарядка — это не аккумулятор 10-летней давности, подключенный к мощному блоку питания.

Технологии в области батарей и блоков питания также очень сильно продвинулись вперед, что плавно подталкивает нас к основной теме, а именно, как же работает OPPO SuperVOOC и в чем уникальность этой технологии. Ведь она на самом деле отличается от всего, что есть на рынке.

Как работает OPPO SuperVOOC

Сразу же предупреждаю, технология SuperVOOC требует не только специального блока питания или аккумулятора, но и особого кабеля, который отличается от любого другого.

C-rate у аккумулятора с поддержкой SuperVOOC 2.0 должен быть не менее 3C. То есть, он должен выдерживать на первой фазе зарядки ток, в три раза превышающий емкость. Если это 4000 мАч, тогда ток должен быть 12 ампер. Но, здесь есть один важный нюанс, о котором я скажу чуточку позже.

OPPO не использует все эти хитрости с увеличением напряжения и понижением силы тока. Если Quick Charge 4 (конкурирующая технология) от Qualcomm может выдавать напряжение до 20 вольт, чтобы снизить силу тока в амперах и не расплавить провод, то блок питания SuperVOOC прямо выдает по проводам 6.5 ампер!

Но обычный USB-кабель не выдержит такой силы тока и OPPO использует специальный кабель, внутри которого добавлен еще один дополнительный провод.

Это значит, что телефону не нужно понижать напряжение в 20 вольт (как Quick Charge), так как к нему по проводам уже идет 6.5 ампер. Соответственно, такой смартфон уже значительно сокращает количество выделяемого тепла внутри корпуса.

Здесь еще есть важная деталь — блок питания SuperVOOC выдает по проводу 10 вольт, а аккумулятор заряжается от ~5 вольт, но и здесь ничего не нужно понижать.

Дело в том, что OPPO пошла по пути, который раньше считался очень невыгодным (из-за высокой стоимости, необходимости в дополнительном пространстве внутри корпуса и других проблем). Компания фактически размещает два аккумулятора по 2000 мАч каждый, соединив их параллельно.

Получается, даже напряжение в 10 вольт не нужно понижать, так как каждый из двух «маленьких» аккумуляторов получает свои 5 вольт.

И, как мне кажется, именно отсюда и появляется удивительный C-rate в 3C (для справки, в новой версии технологии на 120 Ватт C-rate увеличен до невероятных 6C). Скорость 3C компания считает не для всего аккумулятора на 4000 мАч (3C = 12 ампер), а для каждого маленького на 2000 мАч (3C = 6 ампер), что вполне вписывается в рамки современных технологий.

Выходит, даже подавая на аккумулятор ток в 6.5 ампер под напряжением 10 вольт, компания не превышает допустимые пределы и уменьшает нагрев, так как не нужно понижать напряжение внутри смартфона.

GaN-зарядка

Остается последний вопрос — в чем секрет блока питания? Как можно делать зарядник на 65 Ватт при таком размере, чтобы он еще и не перегревался?

К сожалению, объяснение этого «феномена» уже выходит за рамки статьи, так как здесь используется новая технология, основанная на транзисторах из нитрида галлия. Это настолько интересная вещь, что можно считать ее небольшой революцией в области блоков питания.

Но о том, что такое GaN, причем здесь транзисторы и как всё это работает, я обязательно расскажу как-нибудь потом.

Вредна ли быстрая зарядка? Несколько слов о «циклах»

Думаю, вы уже понимаете, что именно вредит аккумулятору. Высокое напряжение и, соответственно, высокая температура могут разрушать перегородку между двумя секциями батареи.

Кроме того, высокое напряжение ускоряет появление всевозможных образований из лития на катодах и анодах. То есть, с каждым разом лития становится всё меньше и меньше, что влечет за собой сокращение емкости батареи.

Именно поэтому рекомендуется держать напряжение аккумулятора в пределах ~3.9 вольт, то есть, не заряжать свыше 70-80%. Теоретически для батареи лучше сделать 10 подзарядок от 50 до 60%, чем одну — от 0 до 100%. По той же причине (высокое напряжение на аккумуляторе) не рекомендуется и на ночь оставлять смартфон в зарядке, так как батарейка в течение долгого времени находится под максимальным напряжением в 4.2 вольта, что ускоряет процесс деградации лития и электролита.

Так вредна ли быстрая зарядка? Это зависит от того, насколько сильно она разогревает батарею. Если мы говорим об OPPO SuperVOOC на 65 Ватт, тогда ответ прост — совершенно безвредна. Во-первых, из-за того, что смартфон не перегревается, а во-вторых, компания предоставила отчет о тестировании SuperVOOC.

Если Apple гарантирует, что спустя 500 циклов полной разрядки и зарядки (медленной), емкость аккумулятора iPhone не сократится ниже 80%, то OPPO заявляет, что спустя 800 циклов полной разрядки и зарядки (65 Ватт), емкость аккумулятора будет составлять около 91% от изначальной.

Технология SuperVOOC буквально меняет опыт использования смартфона. Когда мне нужно срочно куда-то бежать, а на телефоне остается всего 7% заряда, я просто ставлю его на зарядку, пока одеваюсь. Спустя несколько минут, смартфон уже заряжен до 60%, а при емкости в 4000 мАч, этого вполне хватит до вечера.

Не знаю, произойдет ли в будущем революция в области аккумуляторов, когда одного заряда будет хватать на неделю или месяц, но у меня нет сомнений в том, что благодаря усилиям таких компаний, как OPPO, Huawei, Qualcomm или Mediatek, мы сможем уже в ближайшем будущем заряжать свои смартфоны за 5-10 минут.

Alex Salo, editor in chief @ Deep-Review