Jak funguje technologie rychlonabíjení „Fast charging“? 1. část

Pojďme si to vysvětlit a porovnat se standardy.

Procesory. RAMky. Displeje. Při výběru nového telefonu většina z nás myslí a hledí právě na tyto parametry.V průběhu posledních let se však mezi výběrové parametry začíná podstatně řadit také i tzv. fast charging, tedy rychlé nabíjení. A jak by ne. Kdo má čas a chuť čekat několik hodin, než se mu nabije telefon, když jej může mít plně nabitý již za několik minut?

Kdyby to jen bylo tak jednoduché. Nabíjení je komplikovanou souhrou chemie a fyziky. Každý z těchto oborů má také vlastní hranice a jsou mezi nimi málo známé bariéry. A aby bylo vše ještě zmatenější, výrobci telefonů označují součástky nesrozumitelnými názvy. Přitom se nabízí jednoslovná označení, které by poměrně snadno vysvětlily,oč se jedná.

Jak rychle fast charging funguje? Zhluboka se nadechněte a ponořte se s námi do světa populárních bezdrátových nabíječek, kde si o nich řekneme první poslední. Dozvíte se vše potřebné o Samsungu a jeho Adaptive Fast Charging technologii, Qualcommu a jeho QuickCharge, Huawei a  jeho SuperCharge a také Apple fast charging.

Funkce rychlonabíjení  „Fast charging“

Než se ponoříme do složitostí, pojďme si říct něco málo o základech.

Každý chytrý telefon dnes disponuje baterií a každou baterii je nutné tu a tam nabít. Způsob nabíjení je plus mínus vždy stejný.

Články se skládají ze dvou elektrod (jedna kladně nabitá a druhá záporně) a probíhají zde katalitické reakce, které převádějí sloučeniny na nové látky. Časem se na elektrodách vytvoří ionty – atomy s velmi malým či velmi vysokým počtem elektronů – vznikne tak proudění elektronů do záporného vnějšího terminálu baterie, čímž se Váš mobilní telefon nabíjí.

V alkalických bateriích se tato reakce objeví pouze jednou. Ale v nabíjecích lithium-iontových bateriích, které dnes v chytrém telefonu naleznete, je reakce „reverzibilní“. Když se baterie vybíjí, vzniká za pomocí chemické reakce elektřina, a když je třeba ji nabít, energie je opět absorbována pomocí chemické reakce.

Fast charging

Ujasnili jsme si, jak se baterie vybíjejí a jak je možné je opět nabít. Ale k porozumění procesu, který skrývá fast charging bude nutné porozumět záležitosti, které se říká regulátor nabíjení.

Rychlá poznámka:

Vzhledem k tomu, že v průběhu naší diskuse budeme mluvit o voltech, ampérech a wattech, tak sipojďme lehce připomenout, co jsou vlastně zač. Volty slouží pro měření napětí, v ampérech se měří proud a watty slouží pro měření elektrické energie. Obvyklá analogie užitá při vysvětlování této problematiky je tzv. „zahradní hadice“: Volty jsou ekvivalentní tlaku vody v hadici; proud je ekvivalentní průtoku; a výkon je ekvivalentní objemu rozstřiku hrdla hadice. Watty jsou tedy produkty voltů a ampérů – volty (V) krát ampéry (A) se rovnají wattům.

Vyšší proud a vyšší napětí nabíjejí baterii rychleji, avšak v rámci tohoto proudění jsou zde také limity.

Baterie v chytrých telefonech se nabíjí, když skrze ni prochází proud. Vyšší proud a voltáž nabíjejí baterii rychleji, ale jsou zde limity, které nás za určitou úroveň nepustí. A právě zde přichází do hry regulátor nabíjení, který ochraňuje zařízení proti případnému vzniku nebezpečných výkyvů proudu.

Řídicí čip reguluje celkový proud elektřiny do a z baterie. Obecně řečeno, lithium-iontové regulátory definují proud (v ampérech), při kterém se akumulátor nabíjí tak, že měří proud a napětí v rámci baterie a pomocí získaných údajů následně stanovuje příchozí proud. Některé baterie mají stejnosměrný konvertor pro změnu vstupního napětí a disponují také pokročilými integrovanými obvody, které nastavují odpor mezi zdrojem nabíjení a svorkou akumulátoru.

Množství proudu, které regulátor nabíjení čerpá, je poté závislé na softwarové složce telefonu.

Standardy nabíjení pomocí USB

Pokud nevlastníte Palm Pilot z počátku 90. let, tak velmi pravděpodobně nabíjíte mobil pomocí USB. A to z velmi dobrého důvodu: Kromě toho, že USB kabely jsou v dnešní době poměrně často užívané, mají skutečně robustní a velmi dobré standardy nabíjení. Známé také pod pojmem: USB PowerDeliverySpecification (Specifikace napájení USB).

Fórum implementátorů USB stanovuje celkem čtyři různé typy: USB 1.0, 2.0, 3.0 a 3.1.

Typické USB 1.0 a 2.0 dodá až 5V / 0.5A (2.5W).

To je míra, kterou k nabíjení potřebuje běžný telefonu. Nemluvíme zde o velkém množství energie. IPhone nabíjející se na 2A přes USB užívá 5V x 2A = 10W. Průměrná žárovka čerpá okolo 40 W.

Ve výchozím nastavení porty USB 3.0 dodávají 5V / 0.9A (4.5W).

USB-C, se vyznačuje oválnou zdířkou, kterou můžeme nalézt u novějších chytrých telefonů. Zde se již bavíme o zcela jiné úrovni. Toto USB je technicky schopné nést obdobné podmínky jako USB 2.0. Většina výrobců se však v dnešní době zaměřuje na USB 3.1, což může potenciálně přinést mnohem lepší užitek.

Mnoho zařízení podporujících USB 3.1 využívá USB PowerDelivery (USB-PD), která má maximální výstupní výkon 20V / 5A (100W). Inteligentní telefony obvykle nečerpají tolik energie - výrobci se obvykle drží nižší intenzity (například 3A),ale ve světě notebooků disponujících USB-C je to výhodou – mezi tyto notebook patří:MacBook Pro a Google Chromebook Pixel.

Věci mírně komplikuje specifikace nabíjení baterie (BatteryChargingSpecification), která se zabývá konkrétně napájením čerpaným z USB portu pro nabíjení. Nejnovější specifikace Rev 1.2 prezentují až tři různé zdroje napájení: Standard downstream port (SDP), chargingdownstream port (CDP) adedicatedcharging port (DCP). CDP se běžně vyskytuje u moderních chytrých telefonů, notebooků a dalšího hardwaru. Zařízení dodává až 1,5A.

Plně kompatibilní chytré telefony a nabíječky respektují limity USB 2.0 a BC1.2, ale ne všechny telefony a nabíječky jsou s nimi kompatibilní. Z tohoto důvodu,jsou vždy chytré telefony nastaveny na nejnižší rychlost nabíjení.

Limity rozhraní USB jsou tedy vnímány spíš jako pokyny než jako pravidla. Standartní rychlé nabíjení (fast charging), jako je rychlé nabíjení odQualcomm (Qualcomm’sQuickCharge) a adaptivní rychlé nabíjení společnosti Samsung (Samsung’sAdaptive Fast Charging), přesahují parametry napětí pro USB. Je tak však učiněno zcela záměrně–aby bylo možné telefon nabít během pouhých několika minut a člověk nemusel čekat na plnou baterii hodiny.

V další části popíšeme standardy rychlonabíjení - Apple Fast Charging a Samsung Adaptive fast charging.