安全最重要 浅析智能手机的涓流充电

手机厂商可以对电池的充电电压参数进行自定义

小提示

锂电池的工作电压范围可以由手机厂商进行微调（图4），比如苹果iPhone通常以4.35V作为1 00%状态下的充电限制电压，Android手机厂商则多以4.2V～4.4V为主。锂电池的零电量标准往下可以设到2.8甚至更低，具体档位取决于电芯和电源管理相关IC的性能以及厂商的需要。

换个视角看锂电池的原理

本刊曾在2020年第16期特别话题《突破百瓦梦想浅析智能手机的新一代闪充技术》中回顾过智能手机充电技术的发展史，并解读了最新超百瓦高速闪充技术背后的原理。其中，我们曾提到过度放电（过放）和过度充电（过充）都会让部分Li+锂离子无法再嵌入进负极或是无法再从负极离开（图2），从而影响电池的寿命（可用电量）。

实际上，我们还能从另外一个角度分析过放和过充对电池寿命的影响。本文笔者尽量不涉及如Kernel层、Native层和BatteryService系统服务层等专业技术术语，以最直白的方式为大家讲解。

电压和电量的关系

智能手机内置锂电池的额定电压多在3.7V～3.85V之间（图3），而电压的变化范围则在3V～4.4V之间，我们可以将其理解为对应的0%～100%电量。一款内置4000mAh的手机在充电时，表面上看是电池容量从0mAh变成74000mAh，但其背后则是将电池可以稳定输出的工作电压从3V提升到了4.4V。换句话说，智能手机消耗的是越用越少的电池容量，而电池本身牺牲的则是越用越小的工作电压。

二者并非线性关系

需要注意的是，锂电池实时的电压与电量并不是线性关系。一般来说，锂电池在放电时，从4.4V～3.9V之间的下降幅度较大，在3.8V～3.7V之间的幅度最为平缓，当电压低于3.7V后下降幅度则会明显加速（见表）。

在功能机时代，几乎所有的手机都会用多个小格子代表当前电量（图5），但受制于当初的技术原因，每个格子代表的电量并不对等，往往都是中间的几格最耐用。进入智能手机时代后，更先进的传感器（如电量器）和成熟的算法可以实时监測电池电压的变化，可以将当前电量精准显示到1%，从而让用户更合理地把控充电时机。

剖析充电背后的流程

从表面上看，给手机充电就是插上（连接着充电头的）充电线，手机显示正在充电。实际上，手机充电的背后有着一套相当复杂的验证和流程，远没有我们想象的那么简单。

先“握手”再充电

智能手机与充电头都采用了通用串行总线的USB接口（图6），只是手机端以MicroUSB和USB Type-C为主，而充电头端则以USB-A为主（支持PD协议、100W或更高功率的充电头则会改用USB Type-C）。无论是哪种标准的USB，接口内部都存在可用于通讯的针脚，当手机插入充电线的那一瞬间，手机和充电头内的通信控制电路就开始尝试沟通：

如果充电头和手机同时支持某项快充协议，那它们就能“握手”成功，并在该协议所支持的功率范围进行充电（图7）。在快速充电的过程中，手机端会不断地向充电头端发送包含电池的电压和温度信息，而充电头则能根据这些信息实时调整输出电压和电流（图8），直至充电结束。

⑧温度也是影响充电功率的重要参数，充电功率越高，对温控的要求也就越苛刻

现在快充技术还演化出了更复杂的操作。以VOOC 3.0为例，它通过手机端和充电头端的双向通信机制，可以在手机端提前预判即将运行的大型游戏会导致机身过热，然后便会自动通知充电头调整降低充电功率，当用户退出这款游戏后再通知充电头端恢复充电功率。对于那些双向通信机制不完善的快充技术，往往会采用手机亮屏便将充电功率降到最高10W的机制，哪怕你只是点亮屏幕看个微信消息，快充的节奏也将因此被打断。

再谈过放与过充

低于多少电量关机由手机厂商自定义

为了防止过放，智能手机都会设定一个阈值（如1%～3%），当电池电量低于它便会触发自动关机的保护机制（图9）。问题来了，锂电池的电量会随时间而不断地“挥发”，自动关机的手机如果长时间没能进行充电，电量就会完全耗光，此时电池电压将会跌破3V的临界点。当闲置的时间再拉长一些，电池电压则会降到2.8V甚至更低。而一旦电池电压跌破2V，这块电池可能就基本报废了。

大家可以翻翻多年前的功能手机，它们中的很多电池是不是都充不进去电了？

和只伤害电池的过放相比，过充除了会影响电池寿命，还有一定几率引发充电头因过热而烧毁、电池因过热而爆燃等严重的安全事故。所以无论是充电头还是手机端内都设有多重保护机制（图10），在电池充满后及时终止充电，或是将充电电流调整到不会影响电池安全的程度上。

我们可以将锂电池理解为一个木桶，当木桶里没有一滴水时，是不是得先倒入少量的水试试它漏不漏？确定不漏后可以使劲灌水，但当水桶快灌满前是不是需要降低注水速度，防止水桶被涨裂？

参考上文表格中电压与电量的对应关系，没有水的木桶就是电压低于3V的电池，而即将被灌满的木桶就是达到4.2V电压的电池。在电池电压低于3V前需要缓慢注水，当电池电压升到4.2V后也要降低注水速度（图11）。

而这一前一后的缓慢注水过程，就是传说中的“涓流充电”。

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涓流充电的意义

正如前文所述，给手机充电就好似给木桶灌水，我们可以将其大体划分为三个阶段。

预充阶段

当手机完全耗光电量，又或是好久没有使用时，你会发现刚插上充电线时它没有任何反应，长按开机键也没用，就好像坏了一样。但等待3分钟～5分钟左右，手机屏幕便会突然亮起久违的充电图标，但还需再等个3分钟～5分钟左右才能开机成功（图12）。

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这个过程就属于预充阶段。刚充电时因为电池电压低于3V，所以无法触发开机和充电提醒。这个阶段的电池是非常脆弱的，所以充电头只能以极小的电流对其进行恢复性的充电，直到将电压提升到3V这个临界值才能进入下一个充电阶段。理论上讲，预充阶段采用的就是涓流充电，只是这一阶段的充电电流最小，可能低至毫安级别。

恒流充电阶段

当电池电压高于3V后（或是在手机没有自动关机之前充电），充电头就能放心地和手机“握手”触发快速充电技术了，以第16期提到的新一代超百瓦高速闪充为例，充电1分钟就能从1%充到10%，5分钟充到50%（图13），10分钟充到80%，15分钟充满全部电力。恒流充电的电压和电流取决于手机和充电头所支持快充协议的最大功率，理论上没有最快，只有更快。

涓流充电阶段

当电池电压达到某个阈值（不同的电压对应不同比例的电量）后，手机端的电源管理模块便会通知充电头降低输出电流，即进入更安全的涓流充电阶段，防止给电池（木桶）“充爆”，涓流充电的电流会随着电池电压的提升而不断变小。

这个阈值的标准是非常宽泛的，比如苹果就曾一度将iPhone的涓流充电阈值设为80%（图14），而Android手机厂商则普遍将其设定在90%～95%，这也就解释了图1中的几种快充方案为什么充电曲线在最后都趋于水平了。当电池电压提升到4.4V后，此时泪流充电的电流也会降到某个数值上，每当这个数值出现就等同于吹响了满电的号角。

理论上讲，增加涓流充电时间有利于延长锂电池的寿命，但代价就是牺牲了完全充满电量的等待时间。因此，不少产品可能会采用“UI瞒报”的方案，即手机显示当前电量已经是100%了，但电池实际电量可能只有98%，需要再充一会才能完全充满。如果刚显示100%你就拔下充电线，会发现99%～100%的电量特别不耐用。

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小結

随着手机快充功率的不断提升，需要搭配内阻更小的电芯、转换率更高的充电IC和电路以及更豪华的散热方案，而这些改进都能让锂电池在涓流充电阶段承载相对更大的电流，有利于缩短最后x%的充电时间。但是，我们仍希望手机厂商能将用电安全放在第一位，维系充电耗时与电池寿命的平衡。