智能手機(jī)雙電芯設(shè)計(jì) 雙電芯的充電原理

為了提升智能手機(jī)的續(xù)航表現(xiàn)，越來越多的手機(jī)開始引入雙電芯設(shè)計(jì)，從而獲得了足以媲美獨(dú)顯輕薄本的65W充電功率，而雙電芯也是當(dāng)前手機(jī)圈全面突破100W超快閃充技術(shù)的先決條件，將15分鐘充滿4000mAh電池的夢想照進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。

iPhone X采用了由4.93Wh+5.52Wh兩塊電芯并聯(lián)而成的L型電池模組

那么，雙電芯就一定是手機(jī)電池的發(fā)展趨勢嗎？和傳統(tǒng)的單電芯相比，這種結(jié)構(gòu)的電池系統(tǒng)還有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

樸素的雙電芯設(shè)計(jì)

在很多人的潛意識(shí)中，智能手機(jī)里面不都是一塊電池嗎？只是它的形狀有長有方、容量有大有小而已。

實(shí)際上，手機(jī)圈早就點(diǎn)亮了雙電池的“科技樹”，比如2012年夏新就曾推出過號(hào)稱“永不斷電”的N808，打開這款手機(jī)的后蓋可以看到1630mAh和900mAh兩種規(guī)格的電池，手機(jī)系統(tǒng)可同時(shí)顯示這兩塊電池的電量，用戶可以在手機(jī)開機(jī)的情況下替換其中任意一塊電池，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)永不斷電的目標(biāo)。

我們都知道電池容量越大，智能手機(jī)的續(xù)航就越長久。

然而，在電池材料技術(shù)沒有突破的情況下，它在單位體積內(nèi)的能量密度和充電倍率是存在上限的，貿(mào)然增加容量再疊加時(shí)下流行的快充技術(shù)存在極大的安全隱患。

因此，一些主打大電池長續(xù)航的手機(jī)也引入了雙電芯理念，比如金立在2015年~2017年推出的M5/M6 Plus和M2017就分別內(nèi)置6020mAh和7000mAh電池，它們分別是由2塊3010mAh和3500mAh的電芯并聯(lián)而成，并輔以雙充電IC實(shí)現(xiàn)了安全且快速的充電能力。

蘋果也是很早就加入“雙電芯列車”的手機(jī)品牌，它在2017年發(fā)布的iPhone X采用了雙層堆疊主板，節(jié)省出了一小塊內(nèi)部空間。為了將這部分空間利用上，蘋果定制了由兩塊電芯拼接而成的L型電池，空間利用率達(dá)到了極致。需要注意的是，蘋果后期部分型號(hào)雖然保留了L型電池，但有些依舊是雙電芯結(jié)構(gòu)，有些則是單電芯結(jié)構(gòu)的L型異形電池，隨著異形電池封裝技術(shù)的成熟，蘋果很可能會(huì)取消經(jīng)典的雙電芯設(shè)計(jì)。

iPhone 11系列手機(jī)的X光照，電池結(jié)構(gòu)一覽無余

究其原因，蘋果和前面提到的雙電池手機(jī)在理念上就是很“樸素”的（iPhone并不追求極速的快速充電功率，18W就“夠快了”），只是單純?yōu)榱嗽谟邢薜目臻g里塞進(jìn)更大更多的電池，以容量換續(xù)航。

然而，雙電芯技術(shù)其實(shí)還有一個(gè)隱藏的殺手锏，那就是可以顯著提升充電功率，進(jìn)一步縮短充電耗時(shí)。

那么，雙電芯的這套絕學(xué)又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

單電芯的物理極限

細(xì)心的童鞋應(yīng)該注意過一個(gè)問題，在2019年之前，絕大多數(shù)手機(jī)品牌的快充技術(shù)都保持在18W~30W之間，直到一項(xiàng)名為“電荷泵”技術(shù)的出現(xiàn)才全面突破了40W關(guān)口，并一路狂奔到50W（小米10 Pro）、55W（iQOO 3）、65W（OPPO Reno Ace、realme X50 Pro 5G、黑鯊3）乃至120W（小米10至尊紀(jì)念版，vivo Super FlashCharge 120W）和125W（ OPPO）。上述產(chǎn)品或快充技術(shù)的功率雖然節(jié)節(jié)攀升，但你又可曾知道，其中有些卻是單電芯望而不可及的天花板。

鋰電池的理論充電功率

手機(jī)內(nèi)置鋰電池的工作電壓多在3.3V~4.2V之間（電壓會(huì)隨電量的消耗而逐漸降低），而鋰電池安全充電時(shí)的輸入電壓上限約4.5V（太高會(huì)產(chǎn)生過充導(dǎo)致電池報(bào)廢）。

同時(shí)，鋰電池對充電電流（單位為mA）也存在限制，近些年手機(jī)領(lǐng)域的鋰電池視設(shè)計(jì)和品質(zhì)差異，其充電電流普遍會(huì)被控制到0.5倍~1.5倍的電池放電電流，如果是1倍就代表1C的充電倍率（充/放電電流大小的比率），1.5倍就是1.5C的充電倍率。

假設(shè)一款手機(jī)內(nèi)置了1.5C充電倍率的4000mAh電池，充電時(shí)電池的輸入電流最多為4000mAh×1.5C=6A，再用它乘以之前提到的最大輸入安全電壓4.5V，最終得到的就是它所支持的最大充電功率，6A×4.5V=27W。

在現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)電源插座內(nèi)的交流電通過充電器和數(shù)據(jù)線，輸入到手機(jī)內(nèi)部的電池途中，還會(huì)被降壓、轉(zhuǎn)換電路和內(nèi)阻消耗部分能量，而這些能量則會(huì)以熱量的形式表現(xiàn)出來。換句話說，27W也只是普通鋰電池可以承受的“理論充電功率”，為了避免安全隱患（發(fā)熱過高），手機(jī)實(shí)際的充電功率只會(huì)更低。

因此，在過去的很長一段時(shí)間里，智能手機(jī)最普及的快充功率多在18W~24W之間，其中還又被細(xì)分為“低壓高電流”（高通QC、聯(lián)發(fā)科PE、華為FCP和USB PD等）和“高壓低電流”（OPPO VOOC和華為SCP等）。那么，如今動(dòng)輒30W、50W、65W甚至125W快充技術(shù)又是如何突破鋰電池的理論充電功率封鎖的呢？

首先就是電芯充電倍率的提升。

得益于陣列式極耳結(jié)構(gòu)（MTW）技術(shù)，如今手機(jī)電芯可以輕松獲得5倍~6倍的充電倍率（充/放電電流大小的比率），以2000mAh電芯為例，它們的充電倍率就是12A÷2000mAh=6C（對應(yīng)120W左右）和10A÷2000mAh=5C（對應(yīng)100W左右）。因此，你會(huì)發(fā)現(xiàn)所有支持100W以上充電功率的閃充技術(shù)都會(huì)主打武裝“6C”電池。

需要注意的是，6C也不是鋰電池的極限，因?yàn)椴煌?a target="_blank">電子設(shè)備，采用鋰電池的充電倍率可能有著云泥之別。以無人機(jī)航模電池為例，其充電倍率甚至可以達(dá)到20C~40C。

電荷泵打破功率封鎖

提升充電功率最簡單的方法就是提高輸入電壓和輸入電流，但正如前文所述，手機(jī)內(nèi)部的充電IC單元的轉(zhuǎn)換率最高也只有89%左右，根本“扛不住”高電壓輸入帶來的降壓耗損發(fā)熱。此時(shí)，一個(gè)名為電荷泵（Charge Pump）的技術(shù)出現(xiàn)了，我們可以將它理解為新一代充電IC，可將轉(zhuǎn)換效率從89%提高到98%，從而大幅降低了手機(jī)高壓充電時(shí)的發(fā)熱問題，同時(shí)它還具備能將電壓減半的同時(shí)電流增倍的天賦技能，結(jié)合更高充電倍率的電池，就能實(shí)現(xiàn)充電功率的跨越。

以華為主打的40W SuperCharge快充技術(shù)為例，其背后的秘密就是電荷泵。原裝充電器支持10V/4A（40W）輸出，當(dāng)10V的輸出電壓和4A的輸出電流通過USB Type-C接口送進(jìn)手機(jī)后，手機(jī)內(nèi)部的電荷泵就開始工作了，它能將電芯的充電電壓降到5V，同時(shí)還將充電電流從4A提升到8A，最終在手機(jī)內(nèi)部營造出了一個(gè)5V/8A低壓大電流的充電環(huán)境。

總之，從小米9開始的27W快充、第一代iQOO主打的44W快充，以及其他超過27W的快充技術(shù)，幾乎都是得益于電荷泵在背后的推動(dòng)才最終走向商業(yè)化量產(chǎn)的。

電荷泵也有天花板

2020年初，50W成為了新一代旗艦手機(jī)快充技術(shù)的基準(zhǔn)功率，它能將4000mAh容量電池的充電耗時(shí)縮短到45分鐘左右?？上?，這個(gè)等級(jí)的充電功率基本就是單電芯結(jié)構(gòu)電池的物理極限了。

小米10 Pro發(fā)布時(shí)雷軍曾做過科普，稱“在電池體積不變的前提下，需要平衡好充電功率和電池容量的關(guān)系。充電功率越高，電池密度下降越快。比如30W閃充提升到50W，電池容量就少了5%。如果要把充電功率進(jìn)一步提升，單電芯就搞不定了”。為此，小米10 Pro內(nèi)置了一塊搭載MMT技術(shù)的4500mAh定制條形電池，并支持50W（10V/5A）疾速閃充，號(hào)稱是單電芯所支持充電功率的極致。

然而，沒過幾天這個(gè)極致記錄就被打破了。iQOO 3同樣采用單電芯設(shè)計(jì)，而其主打的Super FlashCharge則支持最高55W（11V/5A）快充。這款手機(jī)打破紀(jì)錄的關(guān)鍵，是iQOO 3采用更新一代的雙路分離式IC設(shè)計(jì)（內(nèi)置兩個(gè)電荷泵IC，iQOO在2019年主打的44W快充也采用了類似的雙IC設(shè)計(jì)），比單電荷泵IC的轉(zhuǎn)換效率更高，發(fā)熱更低，在充電的過程中可以保持“更長時(shí)間”的峰值充電功率。

之所以強(qiáng)調(diào)“更長時(shí)間”，是因?yàn)槭謾C(jī)快充技術(shù)的標(biāo)稱功率只是理論層面的最高峰值功率，在實(shí)際的充電過程中，最高功率往往很難達(dá)到這個(gè)數(shù)值，而且當(dāng)電池電量或溫度達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，充電功率會(huì)逐步下降。手機(jī)廠商可以根據(jù)電池的體質(zhì)，以及對自家快充技術(shù)的自信程度對這些閾值進(jìn)行微調(diào)。因此，現(xiàn)實(shí)中才會(huì)出現(xiàn)30W快充雖然在前20分鐘沒有40W快充快，但完全充滿電的耗時(shí)卻更短的怪現(xiàn)象。

雙電芯讓功率突破天際

雖然iQOO 3讓單電芯的快充峰值功率勉強(qiáng)達(dá)到了55W，但在競爭日益激烈的手機(jī)市場，55W就夠了嗎？答案自然是否定的，所以我們才會(huì)看到已經(jīng)下嫁到2000元價(jià)位的65W快充（realme X7），以及即將全面商業(yè)化的120W~125W極速閃充。只是，這種更高充電功率的代價(jià)，就是必須將電池一分為二。

雙電芯的充電原理

OPPO在2018年推出的Find X和R17 Pro手機(jī)主打的50W SuperVOOC閃充（10V/5A），其背后的秘密就是采用了電荷泵IC以及雙電芯串聯(lián)的電池模組，充電時(shí)可以讓每塊電芯都以25W（5V/5A）功率輸入，實(shí)現(xiàn)了充電效率翻倍的目的。OPPO在2019年發(fā)布Reno Ace時(shí)還帶來了65W SuperVOOC 2.0閃充（10V/6.5A），同樣是雙電芯串聯(lián)，只是每個(gè)電芯都能同時(shí)以32.5W（5V/6.5A）功率輸入，充電耗時(shí)更短。

前文提到的所有65W以更高功率的快充技術(shù)，都采用了雙電芯串聯(lián)的電池模組，它們解決了單電芯方案無法長時(shí)間維持峰值充電功率，后期必須降速保護(hù)電池的缺陷。在安全性上，同樣時(shí)間充滿兩塊電芯的風(fēng)險(xiǎn)也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于充滿一塊兩倍容量單電芯的風(fēng)險(xiǎn)。

同理，現(xiàn)在所有主打破百充電功率的閃充方案，也會(huì)采用多顆電荷泵并聯(lián)的設(shè)計(jì)，提升整套降壓電路的轉(zhuǎn)換效率。比如vivo主打的120W超快閃充就延續(xù)了兩顆電荷泵充電IC的設(shè)計(jì)，每個(gè)電荷泵轉(zhuǎn)換20V/3A大約60W的功率。

而OPPO新一代125W超級(jí)閃充更是采用了并聯(lián)三電荷泵方案，將充電頭傳輸過來的20V/6.25A經(jīng)過三電荷泵降壓轉(zhuǎn)換成10V/12.5A進(jìn)入電池（兩個(gè)電芯平均分配5V/12.5A），每個(gè)電荷泵只需轉(zhuǎn)換20V/2.1A大約42W左右的功率，有效地避免了大電流造成的電荷泵過載、過熱。

小米10至尊紀(jì)念版采用了全新的4：2大功率充電架構(gòu)，通過將大電流分解為雙路小電流充電，不僅降低充電通路的阻抗，同時(shí)還提升了整體的轉(zhuǎn)化效率。在兩條充電通路上分別搭載超高效的定制電荷泵充電芯片，組成雙電荷泵并聯(lián)架構(gòu)。其中，兩顆轉(zhuǎn)化效率高達(dá)98.5%定制電荷泵，不僅使充電轉(zhuǎn)化率更高，充電的穩(wěn)定性也大幅度提升。在120W大功率充電過程中，將兩路20V 3A的高電壓電流轉(zhuǎn)化為兩路10V 6A的低電壓電流，最終匯流成10V 12A的大電流輸入電池。

雙電芯的后遺癥

問題來了，兩個(gè)電芯串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致電壓翻倍，而手機(jī)鋰電池的正常輸出電壓（為手機(jī)內(nèi)各元器件供電）應(yīng)該是5V左右，因此這種電池模組還需要專門的降壓電路將串聯(lián)雙電芯的輸出電壓減半。這個(gè)多余的步驟，勢必會(huì)增加能量的耗損，對續(xù)航造成一定的影響，哪怕這個(gè)降壓電路引入了電荷泵技術(shù)也難以100%消除。

為此，黑鯊3系列手機(jī)曾提供了另一種解決思路，那就是“串充并放雙電池系統(tǒng)”。簡單來說，就是當(dāng)黑鯊3的電源管理系統(tǒng)檢測到有原裝充電器插入時(shí)（需觸發(fā)65W快充協(xié)議），雙電芯模組以串聯(lián)的模式充電，每個(gè)電芯同時(shí)享用32.5W（5V/6.5A）的充電功率。在其他狀態(tài)下，黑鯊3的電源管理系統(tǒng)會(huì)將雙電芯模組切換到并聯(lián)的模式放電，此時(shí)無需專門的降壓電路，內(nèi)阻更低，效果等同于讓電池釋放出更多的電量。

小結(jié)

隨著未來更多旗艦手機(jī)列裝65W、120W或更高功率的快充技術(shù)，雙電芯設(shè)計(jì)也將逐漸走向成熟。