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硬核科普!65W和120W快充为啥必须使用双电芯设计?

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硬核科普!65W和120W快充为啥必须使用双电芯设计?
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为了提升智能手机的续航表现,越来越多的手机开始引入双电芯设计,从而获得了足以媲美独显轻薄本的65W充电功率,而双电芯也是当前手机圈全面突破100W超快闪充技术的先决条件,将15分钟充满4000mAh电池的梦想照进了现实。

iPhone X采用了由4.93Wh+5.52Wh两块电芯并联而成的L型电池模组

那么,双电芯就一定是手机电池的发展趋势吗?和传统的单电芯相比,这种结构的电池系统还有什么优缺点?

朴素的双电芯设计

在很多人的潜意识中,智能手机里面不都是一块电池吗?只是它的形状有长有方、容量有大有小而已。

实际上,手机圈早就点亮了双电池的“科技树”,比如2012年夏新就曾推出过号称“永不断电”的N808,打开这款手机的后盖可以看到1630mAh和900mAh两种规格的电池,手机系统可同时显示这两块电池的电量,用户可以在手机开机的情况下替换其中任意一块电池,从而实现手机永不断电的目标。

我们都知道电池容量越大,智能手机的续航就越长久。

然而,在电池材料技术没有突破的情况下,它在单位体积内的能量密度和充电倍率是存在上限的,贸然增加容量再叠加时下流行的快充技术存在极大的安全隐患。

因此,一些主打大电池长续航的手机也引入了双电芯理念,比如金立在2015年~2017年推出的M5/M6 Plus和M2017就分别内置6020mAh和7000mAh电池,它们分别是由2块3010mAh和3500mAh的电芯并联而成,并辅以双充电IC实现了安全且快速的充电能力。

苹果也是很早就加入“双电芯列车”的手机品牌,它在2017年发布的iPhone X采用了双层堆叠主板,节省出了一小块内部空间。为了将这部分空间利用上,苹果定制了由两块电芯拼接而成的L型电池,空间利用率达到了极致。需要注意的是,苹果后期部分型号虽然保留了L型电池,但有些依旧是双电芯结构,有些则是单电芯结构的L型异形电池,随着异形电池封装技术的成熟,苹果很可能会取消经典的双电芯设计。

iPhone 11系列手机的X光照,电池结构一览无余

究其原因,苹果和前面提到的双电池手机在理念上就是很“朴素”的(iPhone并不追求极速的快速充电功率,18W就“够快了”),只是单纯为了在有限的空间里塞进更大更多的电池,以容量换续航。

然而,双电芯技术其实还有一个隐藏的杀手锏,那就是可以显著提升充电功率,进一步缩短充电耗时。

那么,双电芯的这套绝学又是如何实现的呢?

单电芯的物理极限

细心的童鞋应该注意过一个问题,在2019年之前,绝大多数手机品牌的快充技术都保持在18W~30W之间,直到一项名为“电荷泵”技术的出现才全面突破了40W关口,并一路狂奔到50W(小米10 Pro)、55W(iQOO 3)、65W(OPPO Reno Ace、realme X50 Pro 5G、黑鲨3)乃至120W(小米10至尊纪念版,vivo Super FlashCharge 120W)和125W( OPPO)。上述产品或快充技术的功率虽然节节攀升,但你又可曾知道,其中有些却是单电芯望而不可及的天花板。

锂电池的理论充电功率

手机内置锂电池的工作电压多在3.3V~4.2V之间(电压会随电量的消耗而逐渐降低),而锂电池安全充电时的输入电压上限约4.5V(太高会产生过充导致电池报废)。

同时,锂电池对充电电流(单位为mA)也存在限制,近些年手机领域的锂电池视设计和品质差异,其充电电流普遍会被控制到0.5倍~1.5倍的电池放电电流,如果是1倍就代表1C的充电倍率(充/放电电流大小的比率),1.5倍就是1.5C的充电倍率。

假设一款手机内置了1.5C充电倍率的4000mAh电池,充电时电池的输入电流最多为4000mAh×1.5C=6A,再用它乘以之前提到的最大输入安全电压4.5V,最终得到的就是它所支持的最大充电功率,6A×4.5V=27W。

在现实中,当电源插座内的交流电通过充电器和数据线,输入到手机内部的电池途中,还会被降压、转换电路和内阻消耗部分能量,而这些能量则会以热量的形式表现出来。换句话说,27W也只是普通锂电池可以承受的“理论充电功率”,为了避免安全隐患(发热过高),手机实际的充电功率只会更低。

因此,在过去的很长一段时间里,智能手机最普及的快充功率多在18W~24W之间,其中还又被细分为“低压高电流”(高通QC、联发科PE、华为FCP和USB PD等)和“高压低电流”(OPPO VOOC和华为SCP等)。那么,如今动辄30W、50W、65W甚至125W快充技术又是如何突破锂电池的理论充电功率封锁的呢?

首先就是电芯充电倍率的提升。

得益于阵列式极耳结构(MTW)技术,如今手机电芯可以轻松获得5倍~6倍的充电倍率(充/放电电流大小的比率),以2000mAh电芯为例,它们的充电倍率就是12A÷2000mAh=6C(对应120W左右)和10A÷2000mAh=5C(对应100W左右)。因此,你会发现所有支持100W以上充电功率的闪充技术都会主打武装“6C”电池。

需要注意的是,6C也不是锂电池的极限,因为不同电子设备,采用锂电池的充电倍率可能有着云泥之别。以无人机航模电池为例,其充电倍率甚至可以达到20C~40C。

电荷泵打破功率封锁

提升充电功率最简单的方法就是提高输入电压和输入电流,但正如前文所述,手机内部的充电IC单元的转换率最高也只有89%左右,根本“扛不住”高电压输入带来的降压耗损发热。此时,一个名为电荷泵(Charge Pump)的技术出现了,我们可以将它理解为新一代充电IC,可将转换效率从89%提高到98%,从而大幅降低了手机高压充电时的发热问题,同时它还具备能将电压减半的同时电流增倍的天赋技能,结合更高充电倍率的电池,就能实现充电功率的跨越。

以华为主打的40W SuperCharge快充技术为例,其背后的秘密就是电荷泵。原装充电器支持10V/4A(40W)输出,当10V的输出电压和4A的输出电流通过USB Type-C接口送进手机后,手机内部的电荷泵就开始工作了,它能将电芯的充电电压降到5V,同时还将充电电流从4A提升到8A,最终在手机内部营造出了一个5V/8A低压大电流的充电环境。

总之,从小米9开始的27W快充、第一代iQOO主打的44W快充,以及其他超过27W的快充技术,几乎都是得益于电荷泵在背后的推动才最终走向商业化量产的。

电荷泵也有天花板

2020年初,50W成为了新一代旗舰手机快充技术的基准功率,它能将4000mAh容量电池的充电耗时缩短到45分钟左右。可惜,这个等级的充电功率基本就是单电芯结构电池的物理极限了。

小米10 Pro发布时雷军曾做过科普,称“在电池体积不变的前提下,需要平衡好充电功率和电池容量的关系。充电功率越高,电池密度下降越快。比如30W闪充提升到50W,电池容量就少了5%。如果要把充电功率进一步提升,单电芯就搞不定了”。为此,小米10 Pro内置了一块搭载MMT技术的4500mAh定制条形电池,并支持50W(10V/5A)疾速闪充,号称是单电芯所支持充电功率的极致。

然而,没过几天这个极致记录就被打破了。iQOO 3同样采用单电芯设计,而其主打的Super FlashCharge则支持最高55W(11V/5A)快充。这款手机打破纪录的关键,是iQOO 3采用更新一代的双路分离式IC设计(内置两个电荷泵IC,iQOO在2019年主打的44W快充也采用了类似的双IC设计),比单电荷泵IC的转换效率更高,发热更低,在充电的过程中可以保持“更长时间”的峰值充电功率。

之所以强调“更长时间”,是因为手机快充技术的标称功率只是理论层面的最高峰值功率,在实际的充电过程中,最高功率往往很难达到这个数值,而且当电池电量或温度达到某个阈值时,充电功率会逐步下降。手机厂商可以根据电池的体质,以及对自家快充技术的自信程度对这些阈值进行微调。因此,现实中才会出现30W快充虽然在前20分钟没有40W快充快,但完全充满电的耗时却更短的怪现象。

双电芯让功率突破天际

虽然iQOO 3让单电芯的快充峰值功率勉强达到了55W,但在竞争日益激烈的手机市场,55W就够了吗?答案自然是否定的,所以我们才会看到已经下嫁到2000元价位的65W快充(realme X7),以及即将全面商业化的120W~125W极速闪充。只是,这种更高充电功率的代价,就是必须将电池一分为二。

双电芯的充电原理

OPPO在2018年推出的Find X和R17 Pro手机主打的50W SuperVOOC闪充(10V/5A),其背后的秘密就是采用了电荷泵IC以及双电芯串联的电池模组,充电时可以让每块电芯都以25W(5V/5A)功率输入,实现了充电效率翻倍的目的。OPPO在2019年发布Reno Ace时还带来了65W SuperVOOC 2.0闪充(10V/6.5A),同样是双电芯串联,只是每个电芯都能同时以32.5W(5V/6.5A)功率输入,充电耗时更短。

前文提到的所有65W以更高功率的快充技术,都采用了双电芯串联的电池模组,它们解决了单电芯方案无法长时间维持峰值充电功率,后期必须降速保护电池的缺陷。在安全性上,同样时间充满两块电芯的风险也要远远低于充满一块两倍容量单电芯的风险。

同理,现在所有主打破百充电功率的闪充方案,也会采用多颗电荷泵并联的设计,提升整套降压电路的转换效率。比如vivo主打的120W超快闪充就延续了两颗电荷泵充电IC的设计,每个电荷泵转换20V/3A大约60W的功率。

而OPPO新一代125W超级闪充更是采用了并联三电荷泵方案,将充电头传输过来的20V/6.25A经过三电荷泵降压转换成10V/12.5A进入电池(两个电芯平均分配5V/12.5A),每个电荷泵只需转换20V/2.1A大约42W左右的功率,有效地避免了大电流造成的电荷泵过载、过热。

小米10至尊纪念版采用了全新的4:2大功率充电架构,通过将大电流分解为双路小电流充电,不仅降低充电通路的阻抗,同时还提升了整体的转化效率。在两条充电通路上分别搭载超高效的定制电荷泵充电芯片,组成双电荷泵并联架构。其中,两颗转化效率高达98.5%定制电荷泵,不仅使充电转化率更高,充电的稳定性也大幅度提升。在120W大功率充电过程中,将两路20V 3A的高电压电流转化为两路10V 6A的低电压电流,最终汇流成10V 12A的大电流输入电池。

双电芯的后遗症

问题来了,两个电芯串联会导致电压翻倍,而手机锂电池的正常输出电压(为手机内各元器件供电)应该是5V左右,因此这种电池模组还需要专门的降压电路将串联双电芯的输出电压减半。这个多余的步骤,势必会增加能量的耗损,对续航造成一定的影响,哪怕这个降压电路引入了电荷泵技术也难以100%消除。

为此,黑鲨3系列手机曾提供了另一种解决思路,那就是“串充并放双电池系统”。简单来说,就是当黑鲨3的电源管理系统检测到有原装充电器插入时(需触发65W快充协议),双电芯模组以串联的模式充电,每个电芯同时享用32.5W(5V/6.5A)的充电功率。在其他状态下,黑鲨3的电源管理系统会将双电芯模组切换到并联的模式放电,此时无需专门的降压电路,内阻更低,效果等同于让电池释放出更多的电量。

小结

随着未来更多旗舰手机列装65W、120W或更高功率的快充技术,双电芯设计也将逐渐走向成熟。同时,多电荷泵IC双路分离式设计也有望得以普及,最终让手机获得更快更安全的充电体验,也许“充电10分钟,游戏5小时”就是明年最流行的广告词呢。

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