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锂电池设备使用指南


总结

  • iPhone 开启「设置-电池-电池健康-优化电池充电」,其他厂商亦有对应设置;
  • 长时间亮屏使用:接入电源,减少电池循环损耗;
  • 偶尔使用:保持电量在 20%~80% 间浅循环,随用随充;
  • 长期存放:电量约 50% 时关机置于阴凉干燥处,每六月续充至 50% 一次;
  • 避免电池过热或过冷时使用;
  • 避免电量低于 20% 使用;
  • 边充边用一般不消耗电池电量,由充电器直接供电;
  • 手机内置电源管理系统,无过充过放隐患;
  • 长期保持满电量会加速电池损耗;
  • 电脑可设置充电阈值,电量达 60% 后中断电池充电,元器件由充电器供电。

锂电池

锂电池:金属锂电池(如纽扣电池)、锂离子电池(通常所说的锂电池)。
锂离子电池:液态锂离子电池(通常所说的锂离子电池)、聚合物锂离子电池。
金属锂电池:锂元素以金属的形态存在于电池中。
锂离子电池:锂元素以锂离子(通常是锂盐)形态存在于电池中。

现阶段,手机电池一般都是聚合物锂离子电池,本文均简称「电池」,不再为历史遗留问题多费口舌。
聚合物锂离子电池工作原理为锂离子 Li+ 通过电解质在电池正极和负极之间移动,Li+ 从正极游离到负极为充电过程,再从负极游离到正极为放电过程。全部 Li+ 完成一次充放电过程即为电池的一个循环周期。
电量显示不准时,通过一次完整的充放电循环周期即可校准。

电池损耗因素

  • 循环:人为损耗——一个完整充放电周期为一次循环,电量由 20% 充至 80% 为 0.3 个循环(60%/200%),手机电池通常可达几百次深度充放电循环;
  • 温度:自然损耗——电池长时间处于高温下,电解质会加速分解,损耗加快,低温亦加快损耗;
  • 电压:自然损耗——电压过高将导致锂离子析出(该反应仅部分可逆),活性锂离子变少,输出功率下降,容量降低,低压亦加快损耗;

循环次数≠充电次数。

电池寿命的评价指标除了可计量的循环次数外,还有无法计量的自然损耗:
电池即便放着不用,内阻亦会自然增大,容量亦会自然减小,主要影响因素是电压和温度,这种损失不可逆,电池容量会永久变小。电池在满电状态下长期存放,容量会发生明显损失;温度越高,电池的容量损失越快。在 25℃ 环境下,电量剩余 40% 的电池存放一年后,容量损失 4%,电量为 100% 的电池存放一年后,容量损失达 20%;在 40℃ 环境下,电量剩余 40% 的电池存放一年后,容量损失 15%,电量为 100% 的电池存放一年后,容量损失达 35%。
应尽量减少电池处于满电状态的时间,充满电后不拔掉电源,会使电池一直保持满电状态,加快电池容量损失速度。

iOS 的「电池健康」(SOH)为电流积分估算,仅反映循环损耗,不含自然损耗,非真实电池寿命,是否更换电池应根据设备实际使用体验而定,「电池健康」的心理意义更大,无需过分看重。

计算方法:实际容量/设计容量*100%,电池出厂时实际容量一定大于设计容量,计算结果大于 100% 时均显示 100%,实际容量只能积分估测。
电流传感器精度及采样芯片采样频率低,电量百分比(SOC)依据电流积分估算的累积误差大。
额定容量:

电量测量需要电流的时间积分

极端情况:设备自出厂起便从未拔电,一直接入充电器,持续受高压损耗,无循环损耗,电池健康永为 100%,但实际寿命已因长期高压导致的过度自然损耗而降低。

充电阶段

  • 0%~80%:快速充电阶段,充电功率大,发热量大;
  • 80~99%:涓流充电阶段,充电功率低,发热量小;
  • 100%:电池无充电或放电,由电源适配器直接供电。

使用环境

  • 最佳工作温度 16℃~22℃;
  • 工作温度 0℃~35℃;
  • 存放温度 -20℃~45℃;
  • 高温比低温伤害更大,避免高于 35℃ 使用;
  • 过热时取下手机保护壳;
  • 0℃ 以下勿充电。

使用方式

假定电池处于最佳工作温度。

  • 50% 电量关机存放:电压最佳,几乎无循环,电池损耗最小;
  • 持续满电使用:一段时间后,系统将自动降低最大电量至 95%-96%,电池由电源适配器直接供电,无循环损耗,电压高,有高压损耗;
  • 多数时间满电使用:充电时电量保持在 100%,由电源适配器直接供电,无循环损耗,电压高,有高压损耗;偶尔使用电池,电池循环次数较少,循环损耗少;
  • 20%~80% 电量:电池循环次数多,循环损耗大,电压适中,电压造成的电池损耗小;
  • 0% 电量起充:过度放电,循环损耗最大,电压过低,低压损耗大;

边充边用、电池充满后继续使用

充电由电源管理系统(BMS)控制,先给手机元器件供电,电量未满时再给电池充电,因此边充边用时电池充电速度会减慢,电量充满时中断电池充电。
边充边用优先使用的是充电器电源,电池只在执行耗费资源的任务时供电。

电池无法同时充放电,故不会有「充电器→电池→元器件」的情况出现,实际情况为「充电器→元器件+充电器→电池」,手机充电时电池无耗电损耗,电池充电损耗依情况而定:

  • 执行一般任务时,机身内所有元器件都通过电源管理芯片向充电接口取电,电池处于正常充电状态,满电后电池中断电源供电,无充电损耗;
  • 执行耗费资源的任务时,充电器的输入功率无法满足机身内所有元器件消耗的电功率,如通过电脑 USB 接口、Apple 5W 充电器充电,此时手机将从充电接口和电池中同时取电,导致虽在充电状态,但电池电量越来越低,虽如此,只要发热不严重,依然比电池单独供电损耗小。

发热情况:

  • 电量未满:电池充电发热+元器件做功发热;
  • 电量已满:元器件做功发热,此时适合游戏等耗费资源的任务。

整晚充电

若习惯整晚充电,iPhone 建议开启「设置-电池-电池健康-优化电池充电」,其他厂商亦有相关功能。
当系统学习到用户的使用习惯后,在手机整晚连接电源的情况下,系统只会给电池充到 80%,当次日清晨用户拔下电源之前才会涓流充电将电池充满;若作息不规律,系统无法习得使用习惯,此功能也不会影响正常充电。
如此便减少了电池处于高压满电状态的时间,能够有效延长电池使用寿命。

长期满电使用、高压损耗

手机通过检测电池的实时电压判断电量,当电池满电时电压最高,反之电压最低。
长期满电使用虽减少了电池循环次数,但满电量充电存在「高压损耗」,因满电后电池充电已由电源管理系统中断,手机待机消耗电量由充电器提供,电池将长期处于高电压(满电)状态,导致锂离子析出(该反应仅部分可逆),电极间传输介质减少,电池容量发生损失,寿命因而降低。但不知与「电池循环损耗」相比孰轻孰重。

常用电解液是高纯锂盐和高纯有机溶剂的混合物,最常见的电解液(1M LiPF6 in EC/DMC)的电化学稳定性上限在 4.2V 左右,电压超过这个值容易造成溶剂的快速分解,电压越高分解越严重,最终造成电池胀气甚至热失控造成爆炸。

电池在满电状态下长期存放,容量会发生明显损失。在 25℃ 环境下,电量剩余 40% 的电池存放一年后,容量损失 4%;而电量为 100% 的电池存放一年后,容量损失达 20%。
应尽量减少电池处于满电量高电压状态(4.2V)的时间,充满电后不拔掉电源,会让电池一直保持满电状态,加快电池容量损失速度,尤其是在室温较高时。

如果只在 20%~80% 间使用电量,电压适中,理论上寿命会长很多;
如果在 40%~60% 电量时,电池中断充电休眠,手机元器件由充电器供电,理论上是最佳电压水平,电池损害最小。

电脑可设置充电阈值,电量达 60% 后中断电池充电,元器件由充电器直接供电。

iPad、iPhone XS、iPhone XS Max、iPhone XR 及以后版本的设备具备充电管理功能,可安心满电使用:
有时 iPad 或 iPhone 会长时间连接到电源,例如用于展示或销售点系统,或放在充电推车中。iPad 和 iPhone 采用可充电锂离子电池,可在电池的使用寿命期间反复充电和放电。如果电池长时间处于满电量状态,电池健康会受到影响。
装有 iOS 11.3 或更高版本的 iPad,以及装有 iOS 12 或更高版本的 iPhone XS、iPhone XS Max 或 iPhone XR 提供了有助于保持电池健康的充电管理功能,这项功能会监控这些设备是不是在上述充电状况下使用,并根据需要降低电池最大容量。电池指示器会根据调节后的最大容量显示电量百分比。当 iPad 或 iPhone 不再长时间连接到电源,并且情况和电池健康都允许的状况下,电池最大容量将恢复到调节前的水平。

无法查证(来源):

为避免长期满电导致电池「存储钝化」,建议周期性执行充放电循环,如一周循环一次,用到 25% 再充满,以延长电池使用寿命;常年满电使用确实会产生钝化现象;高温使用也会加速钝化及老化过程。
若时常使用电池,不需要担心插电满电使用,相比之下,高温才是电池杀手。
若基本不用电池,可以偶尔拔掉电源使用电池。

无法查证(来源):

假设手机电池的规格容量 3000mAh、额定电压 3.85V、充电限制电压 4.4V,手机内部充电管理参数则为放电限制电压 3.4V、充电限制电压 4.11V。这种控制模式是典型的浅充浅放模式,有助于提高电池的循环寿命,这两项限制电压是结合实际测试获得的最佳参数。
即使手机电量达到 100%,依然无法达到充电限制电压,即便长时间不拔充电器亦然,对电池几乎没有伤害,电量未充满对电池也没有伤害。至于两者的差异,电量较多的手机电池的电压高于电量较低的手机,在相同使用条件下,电量较多的手机电池放电电流要小于电量较低的手机电池放电电流;又由于电池电压越高内阻越小,所以电池电压高的手机发热量要小于电池电压低的手机。
综上,在手机电池电量较高的情况下使用要优于电量较低的情况下使用。

过充过放

锂电池对过充过放反应灵敏,一旦过充或过放,电池即发生不可逆损坏。
但手机均有过充过放保护,由电源管理系统控制进出电池电量,保证电池安全工作,即使一直插充电器,也不会过充,即使用到关机,也不会过放:

  • 应对过充,电源管理芯片会降低最后阶段的充电速度,随着电压越来越高,充电电流逐步减小直至满电后停止充电;
  • 应对过放,在实际电量剩余 10% 左右手机就显示 0% 自动关机。

快充

手机与充电器间有握手协议(保证电源和手机安全),握手成功后才会开启充电。握手时先检测端口的供电电压,如果电压不正常则握手失败,不会开启充电,如电压正常则继续检测通讯端口的电压,根据电压的不同来分配充电电流。
手机充电电压和电流由内部电源管理芯片根据温度和使用情况控制,充电头只提供符合其要求的电压。
若手机不支持快充,即使使用 100W 的充电器充电,也只有普通输出功率。

充电器混用

正规充电器都可混用,仅充电快慢有区别,没有安全隐患,也不影响电池寿命。
快充充电器亦然,快充是普通充电的升级,在保证安全的情况下加快充电速度,也保留了原始的 5V 充电功能。
因此可用 5V 2.1A 的充电器为 5V 2A 的充电宝充电。

循环寿命

电池标准循环寿命是指在一定的充放电制度(比如放电电流、放电环境温度、放电截止电压等)下,电池容量衰减到某一规定值(通常而言是额定容量的 80%)之前,电池能经受的充电与放电循环次数。一个循环指一次满充与一次满放。
一般锂离子电池的寿命可以达到几百次充放电循环,这是在连续对锂离子电池深度充放电的条件下测得的。一般认为锂电池从 4.2V~2.8V 的放电深度为 100%,然而手机的工作电压范围一般是 4.2V~3.4V,可见,即便是用到自动关机再充电,也才 50% 左右的放电深度,手机根本就做不到锂电池的深度放电,所以在日常浅度充放电条件下,锂离子电池的寿命其实相当长。保持 20%~80% 的电量使用习惯,则更是锦上添花了。

iOS 省电设置

  • 关闭「后台应用刷新」
  • 关闭不必要软件的「通知权限」
  • 关闭不必要软件的「定位权限」
  • 关闭「Siri」
  • 关闭「Apple 广告」、「分析与改进」
  • 关闭「重要地点」、「产品改进」

存放

  • 设备充电量应为 50% 左右,勿充满或放空;
  • 关闭设备电源,避免额外电池使用;
  • 将设备置于阴凉干燥环境中,温度低于 32℃;
  • 每隔六个月为设备充至 50% 电量。