今日、平均的なスマートフォンは素晴らしい機能を誇示しています。イライラするのは、1日のアクティブな作業にはかろうじて十分なバッテリーです。この投稿では、携帯電話の電源がどのように、そしてなぜ進化したのか、そしてバッテリーの高速充電技術とは何かについて説明します。同時に、バッテリーの「正しい」取り扱いに関するいくつかの古い神話を払拭します。



こんにちは、Habr！私たちはAnkerであり、これが最初ですが、最後ではありませんが、Hubblogに投稿します。他の誰かが知らない場合、Ankerは、元GoogleエンジニアのStephen Youngによって設立された、小売販売用のモバイル充電器の世界最大のメーカーです。しかし、私たちのポートフォリオは演習だけに限定されていません。 Ankerブランドは、さまざまなUSBケーブルとパワーバンク、ヘッドフォンとポータブルスピーカー、USBハブ、ドッキングステーション、さらにはロボット真空クリーナーを販売しています。そして、これはすべて私たち自身の開発です。他人の製品にラベルを付け直すことはありません。 Ankerは、新製品の実際の研究、開発、テストを行う何百人ものエンジニアを雇用しています。 



このブログでは、専門分野のプリズムを通してテクノロジーについて話し、国際的なAnkerチームからの知識と洞察を共有します。ここで煩わしい広告やマーケティングの声明に出くわさないことを保証します。そして今、私たちは携帯電話の充電の歴史（私たちのお気に入りのトピック）に少し遠足を取ります。最初の携帯電話の充電方法、充電技術の動作速度、バッテリーに関する神話を忘れる時期が来た理由-今ここに。

昨日、昨日、今日の電話のバッテリー

電話のバッテリーの歴史は、セントルイスの警察の車が1940年代にさかのぼります。ミズーリ、ラジオ電話が登場。それらは車のバッテリーで駆動され、1回のフル充電で約6回の短い通話に十分でした。車のエンジンが作動しているときに車のバッテリーが充電されました。数十年の間、携帯電話はプレミアムビジネスカーの高価なアクセサリーであり続けました-その時代の電子機器はアンペア数を非常に要求していたので、コンパクトなバッテリーはどれもそれに電力を供給できませんでした。



最初の車のラジオ電話、1946年。一方では、高度なワイヤレステクノロジー。一方、ロータリーダイヤリング。出典：Daderot / Wikipedia



これは1973年まで続き、最初の真にポータブルな携帯電話Motorolaが登場し、後にDynaTAC 8000Xと呼ばれました（1983年にのみ発売されました）。この電話は、総容量500mAhの6セルニッケルカドミウムバッテリーで満足していました。 30〜40分の会話には1回の充電で十分でした（基地局からの信号強度によって異なります）。



DynaTAC 8000Xの充電器には、トリクル充電機能がありました。これは、ニッケルカドミウム電池の罪である自己放電を補うために、すでに充電された低電流の電池を供給することです。電話機を最初から再充電するのに10時間かかりました。急いでいるビジネスマンのために、モトローラは特別な高速充電器を提供しました-わずか1時間でDynaTAC8000Xバッテリーを充電できる2kgのドックです！同時に、電話はほとんど熱くならず、バッテリーは劣化しませんでした。実際、電話の高速充電は「昨日」ではなく、37年前に登場しました。



Motorola初のハンドヘルドDynaTAC8000Xとオプションの2kgクイックチャージャー。出典：Redrum0486 / Wikipedia、Redfield-1982 / DeviantArt



1990年代前半に携帯電話が新しいコンパクトなニッケル金属水素化物電池を開発している間、電池市場に真の革命が起こりました。1991年、ソニーは付属の最初のリチウムイオン電池をリリースしました。フィルムカムコーダーCCD-TR1。リチウムイオン電池は、寿命とエネルギー密度の点で前任者を上回りました。さらに、彼らは「メモリ効果」を欠いており、最終的にポータブル電子機器の購入者に、バッテリーが完全に放電するのを待たずに、完全に充電することなく、新しい方法で機器を再充電する機会を与えました。



リチウムイオン電池の登場により、電話の待機時間は、1日または2日前と比較して、数日または数週間にまで増加しました。「食欲をそそる」ポケットパーソナルコンピュータ（PDA）の時代、さらにはスマートフォンがまだ登場していないため、週に1回充電するのが一般的でした。つまり、「高速」充電は必要ありませんでした。しかし、進歩は止まらず、1990年代後半にリチウムポリマー電池が発売されました。伝説的な1999年のエリクソンT28は、リチウムポリマーバッテリーを搭載した最初の電話になりました。



エリクソンT28は、その「薄さ」に感銘を受けました。厚さはわずか15.2 mmで、当時は非常に小さかったです。新しいリチウムポリマーバッテリーは、これに感謝する価値がありました。出典：Holger.Ellgaard / Wikipedia



これは新しいタイプのバッテリーではなく、リチウムイオンセルのほんの小さなアップグレードでした。それらの液体電解質が固体またはゲル状のものに置き換えられ、エネルギー密度が増加しました。しかし、エネルギー密度の増加により、同じ容量のより薄いバッテリーを作ることが可能になりました。または同じサイズでより容量があります。バッテリーの容量は大幅に増加しましたが、充電速度は変わりません。ほとんどの場合、スマートフォンには、出力電力が約5 Wの最も安価なメモリデバイスがバンドルされていました。これは、容量の大きいバッテリーの充電を補充するのに最大3時間かかりました。ユーザーが10Wの電力のアダプターを購入したとしても、スマートフォンの電源コントローラーは、安全な5V / 1Aプロファイルに忠実でありながら、そのような電力をバッテリーに供給することに必ずしも同意しませんでした。スマートフォンを非常に長い時間充電する必要があるため、進歩のギアが動きました。2010年代初頭、モバイルデバイスメーカーはバッテリーをすばやく充電する方法を積極的に探していました。そして彼らはそれを見つけました。

高速充電：未来はここにあります

20世紀の終わりには、電話の充電に平均1時間半から2時間かかりましたが、携帯電話は1回の充電で数日間動作しました。2010年代初頭の2000mAhの巨大なバッテリー容量を備えたスマートフォンは、要求の厳しいゲーム、ストリーミングビデオ、高速モバイルインターネットのおかげで、1日足らずでゼロに設定できました。 



USBバッテリー充電規格に準拠したUSB経由のいわゆる「低速」充電では、充電器の電流を5Vの電圧で2Aに増やすことができますが、大型のスマートフォンを充電するには2時間でも長すぎます。 



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2012年には、USBインターフェースを介した最大20Vの電圧と最大5Aの電流の伝送を規制するUSB​​電力供給規格が採用されましたが、高電力には高品質の認定ケーブルが必要です。電力供給仕様に基づいて、チップメーカーは急速充電スマートフォン向けの独自のソリューションの開発を開始しました。 Quick Charge2.0プロトコルがPowerDeliveryの改良版になった通信大手のQualcommが最初にこれを行いました。親標準とは異なり、Quick Charge2.0はすべてのMicro-USB2.0ケーブルおよびコネクタで機能しました。



Quick Charge 2.0の動作原理は、バッテリーの約半分が充電されるまで、定電流で最大12Vの電圧をバッテリーに段階的に供給することで構成されていました。その後、電圧が低下し、充電速度が低下するため、スマートフォンとそれに伴うバッテリーの過熱が軽減されます。



クイックチャージの5番目のバージョンはすでに関連しています。Qualcommは、スマートフォンを5分で最大50％、15分で最大100％充電することを約束しています。これは、Quick Charge5.0が最大100ワットの電力をスマートフォンに転送できるためです。そして、バッテリーを過熱することなく、スマートフォンは40°C以下まで暖まります。



Qualcomm Quick Chargeは、独自のライセンス標準です。これは、Qualcomm Snapdragonチップ上のシステムでのみサポートされていますが、最新のAndroidスマートフォンの約40％で構築されています。また、クイックチャージは充電器でサポートされている必要があります。 PSUにクイックチャージを追加しても、価格に大きな影響はありません。この技術を備えた電源は、必然的に稲妻のロゴでマークされ、充電ポート自体は色で強調表示されます。



Anker PowerPort Speed 5には、Qualcomm Quick Chargeをサポートする2つのコネクタがあります。これらは青色で強調表示され、テクノロジーロゴ（充電器の反対側）が付いています。出典：Anker



Quick Chargeに基づいて、他の企業が独自の、しかし完全に互換性のある高速充電技術を開発しました：Motorola TurboPower、Xiaomi Mi Fast Charging、Samsung Adaptive Fast Charging、Asus BoostMaster、Vivo Dual-EngineFastCharging。実際、名前以外はクイックチャージと同じであるため、クイックチャージをサポートする電源と完全に連携して動作します。 



電圧を上げて充電するのとは対照的に、別のアプローチは寿命に値するものでした。通常の電圧5 Vで電流を増やしてバッテリーを充電します。たとえば、OPPOブランドを所有する中国のBBKエレクトロニクスはこの道を歩みました。 VOOCテクノロジー（電圧オープンループマルチステップ定電流充電）は、スマートフォンに5 Vの標準USB電圧を供給しますが、電流は少なくとも4.0 Aです。VOOCの3番目のバージョンは最大5.0Aの電流をサポートし、4番目のバージョンは-最大6.0A。さまざまな名前のVOOCが、OnePlus Dash Charge、Vivo Super FlashCharge、Realme DartChargeなどの他のBBKElectronicsブランドのスマートフォンに登場しました。 





iPhoneに付属している小型の5W充電器は、不要なものとして箱から出しておくことがよくあります。 Anker PowerPort III Nanoはサイズが似ており、最大18ワットの電力でiPhoneを充電します。出典：Anker



VOOCとそのアナログは、セクターに分割された特殊なバッテリーとペアになっています。このテクノロジーをサポートするバッテリーには8つの接点パッドがあり、1つのバッテリーの複数のセクターが並行して充電されます。



VOOCによる充電電圧が標準であるため、電話はバッテリーに供給するためにそれを下げる必要はありません。つまり、コントローラーはそれを下げず、バッテリーに有害な熱を放出します。つまり、バッテリーの状態に関して、VOOCはクイック充電よりも安全です。もう1つの利点は、VOOC充電中にスマートフォンを使用すると、過熱しないことです。ただし、バージョン5.0までのクイックチャージを備えたデバイスは、再充電中は使用しない方がよいでしょう。そうしないと、スマートフォンがウォームアップを開始し、電源コントローラーが安全上の理由で電圧を下げ、充電を遅くします。



VOOCは、大電流を流すために太い導体を備えた特別なケーブルと、コネクタに追加の信号ピンが必要であることがユーザーにわかるまで、見栄えが良すぎました。 



OPPO VOOC . USB-C Micro-USB 2.0 . : AliExpress

Anker PowerIQ — ,

ご存知のように、スマートフォン用の完全な充電器は、常に1つの高速充電テクノロジー（およびその「コピー」）をサポートします。たとえば、PowerDeliveryを備えたAppleiPad Pro、Adaptive FastChargingを備えたSamsungGALAXY S9など、さまざまな会社のガジェットを所有している場合、あるガジェットから充電すると、別のガジェットが低速モードで充電されます。 



さまざまなブランドのデバイスの「動物園」では、すべてのガジェットを同時に充電するために、複数の出力を備えた1つのユニバーサルアダプターを購入すると便利です。これにより、充電器は、接続されたガジェットがどの高速充電規格で動作するかを理解し、この規格に従って充電を開始します。 



そして、ここにメモがあります。この表は、すべてのUSBバージョンと比較した、スマートフォンで最も人気のある高速充電テクノロジーの仕様をまとめたものです。出典：Anker



すべてのAnker充電器で、AnkerPowerIQテクノロジーがこれに関与しています。たとえば、Anker PowerPort Atom IIIにはUSB-C出力とUSB-A出力があり、それぞれにPowerIQ3.0とPowerIQ2.0のマークが付いています。これらの出力は、USB Power Delivery、Qualcomm Quick Charge、およびそれらの類似物をサポートするスマートフォン、タブレット、さらにはラップトップを接続するために使用できます。すべての場合において、アダプターは最大許容電力モードを選択します。5V/ 2.4 A、9 V / 2 A、または12 V /1.5Aでも。   



この場合、Anker Powerport III Nano20Wは不可欠なアシスタントになる可能性があります。これは、Ankerシリーズの中で最も薄くて軽い充電器です。この目新しさは、ほぼすべてのAppleおよびAndroidデバイスに適合し、ガジェットごとに個人用のメモリを用意する必要がなくなります。 PowerDelivery標準を使用して最大20Wの電力を供給できる単一のUSB-Cポートを備えています。 Anker Innovationsのエンジニアは、2.74 x 3.00 cmのアダプターに20Wを取り付けます。これは、5ルーブルのコインのサイズに相当します。



PowerIQテクノロジーを搭載したすべてのAnker充電器には、接続されたガジェットと通信し、最も効率的な電源プロトコルを選択するチップがあります。たとえば、PowerIQ 3.0は、Power Delivery、Quick Charge、およびApple FastChargingで動作します。スマートフォンが接続されると、PowerIQチップはコマンドを送信し、それを使用して、サポートされている電源プロトコルをスマートフォンに提供します。スマートフォンがPowerDeliveryまたはQuickChargeで動作できると応答した場合、Anker充電器はサポートされている出力電圧と電流に関するデータを送信します。スマートフォンは、提案されたものから自分に最適な電力モードを選択し、これに関するコマンドを充電器に送信します。その後、Anker充電器は選択されたプロファイルに従って電圧を調整し、スマートフォンはプロトコルに従って電流を消費します。



Anker PowerPort Atom IIIは、スマートフォンでもラップトップでも、可能な限り最高の速度で充電できます。USB-C出力は45W、USB-Aは15 Wで、同時に出力されます。出典：Anker

バッテリー充電に関するいくつかの神話

スマートフォンユーザーは、バッテリーの急速充電の危険性についてインターネット上でまだ議論しています。長年にわたる5V / 2 A（10 W）の実証済みの組み合わせからの逸脱はバッテリーに害を及ぼすと指摘する人もいれば、30 Wでも電話に電力を供給しても、バッテリーの状態に影響を与える場合は非常に重要ではないことを証明する研究結果を引用する人もいます。 ..。これと、バッテリーの充電に関するいくつかの神話を容赦なく破壊します。



もちろん、高い充電電流と放電電流はバッテリーには適していません。しかし、この方法でガジェットを充電することを恐れる価値はありますか、またはこれの悪影響が明らかになった場合は、スマートフォン自体の寿命の終わりに向かっていますか？最も穏やかなモード（5 V / 1 A）で毎日充電すると、リチウムポリマーバッテリーの容量が400サイクルで約10〜15％減少します。これは、デバイスの1〜1年半の使用に相当します。 500サイクルに達した後、電話のバッテリーを交換することをお勧めします。これは、経年変化により、バッテリー容量が直線的にではなく、指数関数的に低下するためです。 



急速充電がバッテリーの摩耗に及ぼす影響は、2014年にSLAC国立加速器研究所（スタンフォード大学の研究所）の専門家によってテストされました。研究成果は、バッテリーの充電率によってアノードとカソードの状態が変化しないことを示しています。 2020年、DDay.itの従業員は、VOOCテクノロジーを搭載したOPPO Find X2Proスマートフォンのストレステストを実施しました。 1か月半以内に、電話は65 Wアダプターで充電され、テスト中、バッテリーは248サイクル耐えました。電話をすばやく放電するために、人工的な極端な負荷が発生し、そこからデバイスが有害な44°Cまで加熱されました。実験の終わりに、バッテリーはその容量の約15％を失いましたが、当初は劣化が最大35％になると想定されていました。高負荷とバッテリーにとって危険な温度がなければ、容量の低下はさらに少なくなります。



2020年でも、経験の浅いスマートフォンユーザーの間で、「正しい」充電についての長年の神話があるのは驚くべきことです。たとえば、1990年代初頭にニッケル金属水素化物セルで推奨されていたように、電話を購入した後もバッテリーを「振り」、デバイスを最後まで充電し、ゼロまで数回放電する人もいます。これはおそらく新しいバッテリーの全容量を使用するのに役立ちます、そしてこれが行われない場合、スマートフォンは必要以上に早く放電されると彼らは言います。このプロセスを「パワーコントローラーのキャリブレーション」と呼ぶ人もいます。



実際、リチウムイオンバッテリーは、デバイスを使用する前に「トレーニング」を必要としません。数回の完全充電および放電サイクルは、バッテリー容量にまったく影響を与えず、1分間のバッテリー寿命を延ばすことはありません。コントローラーは、どの容量で動作する必要があるかを完全に把握しており、さらに、ユーザーの介入なしに、バッテリーが劣化したときにコントローラー自体が調整することもあります。



MotorolaStarTACの説明から切り取ります。ニッケル金属水素化物電池は使用前に「振る」必要があることを明確に述べています。電話機にはリチウムイオン電池も装備されていましたが、説明書には



「揺れる」という言葉はありませんでした。「揺れる」電池の重要性についての伝説は、今でも記憶効果の神話を伝えています。不完全に放電されたバッテリーの頻繁な再充電のためにセルの容量が失われたときのメモリー効果自体は、実際に存在します。これは初期のリチウムイオンであり、最近のリチウムポリマー電池には実際にはこの効果はありません（その兆候はごくわずかです）。 1990年代後半からガジェットで使用されていない、廃止されたニッケルカドミウムと、程度は少ないがニッケル金属水素化物電池は、メモリ効果を起こしやすい傾向があります。 



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3番目の神話では、スマートフォンを充電器に長時間接続したままにすることはできません。たとえば、バッテリーが計り知れないほど過充電されているかのように、容量が失われ、発火する可能性もあります。原則として、1990年代初頭にはそのような意見は依然として存在する権利がありましたが、現在、コントローラー付きのリチウムイオンバッテリーの時代では、スマートフォンをコンセントに接続したままにしておく時間はまったく変わりません。その後、過充電を防ぐためにパワーコントローラーが発明されました。バッテリーが充電されると、コントローラーはこれを認識して充電節約モードになり、消費電流をほぼゼロの値に減らします。

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四半世紀以上にわたって、携帯電話のバッテリーの容量は、ガジェットの「食欲」と同様に、文字通り一桁大きくなりました。バッテリー技術の進歩はGPUやメモリほど速くは進んでいませんが、今日のリチウムポリマーバッテリーは真の奇跡であり、高品質の電力しか必要としません。 



バッテリーの可能性を最大限に引き出し、安全で高速な充電を楽しむには、優れた充電器を選択する必要があります。経済的な完全なスマートフォンアダプターは、充電の最小要件のみを満たすことがよくあります。複数の高速充電プ​​ロトコルで動作し、最新の老朽化したテクノロジー向けのUSB-AおよびUSB-C出力を備えたマルチポートユニバーサルチャージャーを自宅に設置することは、二重に賢明です。