Фесенко О. О. Программная система для мониторинга состояния батареи мобильных устройств / О. О. Фесенко, В. И. Грищенко // Информатика, управляющие системы, математическое и компьютерное моделирование в рамках VI Международного Научного форума Донецкой Народной Республики (ИУСМКМ–2020) / Донец. национал. техн. ун-т; — Донецк, 2020. — C. 100-104.

УДК 004.031.6

Обзор программных средств моделирования источников питания мобильных устройств

Фесенко О. О., Грищенко В. И.

Донецкий национальный технический университет

кафедра программной инженерии

olga.fesenko29@gmail.com, victor.grischenko@gmail.com

Огромное количество людей во всём мире активно использует в своей повседневной жизни мобильные телефоны. Это плоды гигантской [1], многомиллиардной индустрии, которая раз и навсегда изменила наш образ жизни. Мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки объединяет один фактор – все они для своей стабильной работы используют заряд батарей.

Большинство современных мобильных телефонов используют литий-ионные аккумуляторы, так как они способны накапливать большой заряд при малом размере. Литийионные аккумуляторы меньше и легче, чем другие типы аккумуляторов, что подразумевает под собой более компактные устройства с большим временем жизни от одного заряда.

Технология производства литий-ионных аккумуляторов постоянно развивается, существенное обновление происходит раз в 1 или 2 года [2]. За всё время развития технологии была проделана колоссальная работа, чтобы сделать литий-ионные аккумуляторы безопаснее, а также исключить случаи возгорания и короткого замыкания.

Целью статьи является анализ устройства и эксплуатации литий-ионных аккумуляторов, а также обзор существующих систем для мониторинга состояния батареи мобильного телефона.

Литий-ионные аккумуляторы выполняются в цилиндрической и призматической конструкциях. Такие конструкции всегда герметичны, поскольку герметичность является обязательным требованием к литий-ионным аккумуляторам, так как утечка электролита недопустима, если утечка всё же произошла, то электроника повреждается. Помимо этого, герметичная конструкция предотвращает попадание внутрь аккумулятора воды и кислорода, если они попадают внутрь, то вступив в реакцию с электролитом и электродами разрушают аккумулятор. Также конструкции любых литий-ионных аккумуляторов предусматривают меры по обеспечению их безопасной работы. Прежде всего это относится к предотвращению перегрева и воспламенения. Под крышкой батареи размещается механизм, повышающий сопротивление аккумулятора при увеличении температурного коэффициента с целью предотвращения повышения давления внутри батареи выше допустимого предела, потому что увеличение давления влечёт за собой разрыв положительного вывода и катода. Помимо этого, для повышения безопасности эксплуатации в литий-ионных аккумуляторах в обязательном порядке устанавливается электронная плата. Она предназначена для контроля за процессами заряда и разряда, а также для исключения перегрева и короткого замыкания.

Цилиндрическая конструкция представляет [3] собой рулон электродов с сепараторным материалом для разделения электродов. Этот рулон размещается в алюминиевом или стальном корпусе и к нему подключается минусовой электрод. Положительный контакт выводится в качестве контактной площадки на торец аккумулятора.

На рисунке 1 представлена конструкция цилиндрического литий-ионного аккумулятора.

Призматическая конструкция изготавливается путём наложения пластин прямоугольной формы друг на друга. Такие батареи позволяют сделать упаковку более плотной, но сложность состоит в том, чтобы постоянно поддерживать сжимающее усилие на электродах. Существуют призматические батареи с рулонной сборкой электродов, которые скручены в спираль.

На рисунке 2 представлена конструкция призматического литий-ионного аккумулятора.

В настоящее время производится много призматических литий-ионных аккумуляторов, которые находят своё применение в смартфонах и планшетах. Конструкция призматических батарей часто может варьироваться у различных производителей, так как не имеет единой унификации.

Литиевые аккумуляторы не имеют эффекта памяти [4], поэтому их необязательно разряжать перед зарядкой, лучше подзаряжать. Как правило, зарядка литий-ионных аккумуляторов комбинирована. В самом начале они заряжаются при постоянном токе 0.2-1С до того момента, пока не достигнут напряжения 4.1-4.2В, после чего зарядка протекает при постоянном напряжении. Происходит это в два этапа. Продолжительность первого этапа составляет около часа, а второго – около двух. Для более быстрой зарядки аккумулятора, используется импульсный режим.

Если заряжать литий-ионный аккумулятор непосредственно током величиной 1С, то время до полного набора ёмкости составит 2-3 часа. Аккумулятор, как правило, считается полностью заряженным, если напряжение возрастает до предельного значения, а ток снижается до 3% от величины в начале процесса зарядки.

На рисунке 3 представлена зависимость тока и напряжения заряда литий-ионного аккумулятора при зарядке.

На рисунке 4 представлены этапы зарядки литий-ионных аккумуляторов.

Следует отметить, что литий-ионные аккумуляторы обладают слабой стойкостью к перезаряду. По итогу подачи избыточного заряда на углеродную матрицу (минусовой электрод), как правило, начинается осаждение металлического лития, который имеет высокую химическую активность и вступает в реакцию с электролитом. После чего на катоде выделяется кислород, который может привести к повышению давления в корпусе и разгерметизации, если постоянно подвергать аккумулятор перезарядке, то срок его службы сокращается.

В таблице 1 представлены результаты исследования зависимости количества циклов батареи от глубины разряда в процессе эксплуатации [4].

Таблица 1 – Зависимость количества циклов батареи от глубины разряда в процессе эксплуатации.

Лучше не разряжать телефон ниже 80% от его полной ёмкости. Конечно, это не всегда возможно, так как требуется постоянный доступ к зарядному устройству и электрической сети.

Ставить аккумулятор смартфона на зарядку лучше до того, как его заряд упадёт до отметки ниже 20%. В то же время, аккумулятор гаджета не нуждается в постоянной зарядке до 100%.

Литиевый аккумулятор нормально функционирует при заряде в 50-80%. Лучше всего при эксплуатации поддерживать заряд в этих границах. Нет необходимости продолжать заряжать литиевый аккумулятор после того, как он достиг 100% ёмкости. Это будет только сокращать срок его службы. Хоть в большинстве качественных телефонов известных брендов контроллер зарядки и отключает подачу тока на батарею при полной зарядке, но если аккумуляторную батарею смартфона ставить на зарядку ночью, то лучше использовать энергосберегающие устройства, отключающие зарядные устройства.

Был проведён ряд исследований о влиянии температуры окружающей среды на степень разрядки батареи во время её хранении, результаты которых представлены в таблице 2 [5].

Таблица 2 – Влияние температуры окружающей среды на степень разрядки батареи во время её хранения.

Батарею смартфона лучше всего хранить при температуре 15-20°C и степени заряженности около 50%.

AccuBattery – Батарея является приложением, которое продлевает срок службы батареи, отображает детальную информацию об использовании батареи, а также измеряет ёмкость батареи, опираясь на научные исследования. Приложение также замеряет фактический уровень использования батареи, основываясь на информации, полученной от контроллера заряда батареи. Уровень использования батареи отдельным приложением рассчитывается совмещением этих измерений с информацией о том, какое приложение было активно. Помимо этого, приложение помогает следить за тем, сколько заряда батареи было использовано устройством; узнать, как долго можно использовать устройство в активном режиме и в режиме ожидания; выяснить, сколько энергии потребляет отдельно взятое приложение и проверить, как часто прерывается глубокий сон устройства.

Основными функциями AccuBattery – Батарея являются:

• постоянные уведомления для получения статистики использования батареи в режиме реального времени;
• использование оповещений о заряде для того, чтобы продлить срок службы батареи;
• просмотр, какому уровню износа подвергается батарея в процессе каждой зарядки;
• просмотр скорости разряда и потребление заряда отдельным приложением;
• просмотр оставшегося времени использования;
• просмотр оставшегося времени зарядки;
• замер реальной ёмкости батареи.

Проанализировав устройство и эксплуатацию литий-ионных аккумуляторов, а также одну из самых популярных существующих программных систем для мониторинга состояния батареи мобильного телефона, было принято решение разработать собственное приложение для отслеживания изменений состояния батареи.

Разрабатываемое приложение должно быть простым и понятным, не должно быть перегружено лишней информацией. На экран должна выводиться детальная информация о текущем состоянии батареи и графики суточного изменения процента заряда и температуры батареи. Также приложение должно иметь функцию задания границ процента заряда батареи, при которой пользователь получал бы уведомления о том, когда телефон необходимо поставить на зарядку или убрать с зарядки, что существенно облегчало бы правильную эксплуатацию аккумулятора.

1. Как устроены аккумуляторы телефонов. Что надо знать об аккумуляторах портативных и сотовых телефонов [Электронный ресурс] / Интернет ресурс. – Режим доступа: https://halzen.ru/windows-8/kak-ustroeny-akkumulyatory-telefonov-chto-nado-znat-obakkumulyatorah-portativnyh-i-sotovyh-telefonov.html – Загл. с экрана.
2. Эксплуатация, зарядка, плюсы и минусы литий-ионных аккумуляторов [Электронный ресурс] / Интернет ресурс. – Режим доступа: https://akbinfo.ru/litievye/litievyeakkumuljatory.html – Загл. с экрана.
3. Устройство, эксплуатация и характеристики литий-ионных аккумуляторов [Электронный ресурс] / Интернет ресурс. – Режим доступа: https://akbinfo.ru/litievye/litijionnyj-akkumuljator.html#i-4 – Загл. с экрана.
4. Аккумулятор смартфона: как правильно эксплуатировать и заряжать [Электронный ресурс] / Интернет ресурс. – Режим доступа: https://akbinfo.ru/litievye/kak-pravilno-zarjazhatakkumuljator-smartfona.html – Загл. с экрана.
5. Effect of Temperature on the Aging rate of Li Ion Battery Operating above Room Temperature [Электронный ресурс] / Интернет ресурс. – Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/280870913_Effect_of_Temperature_on_the_Aging_rate_%20of_Li_Ion_Battery_Operating_above_Room_Temperature – Загл. с экрана.