前一秒10%,下一秒自動關機,手機電量到底咋算的?

2022年10月28日08:00

  本文來自微信公眾號:果壳

  手機還剩 20% 的電量,發了兩條語音,自動關機了,難道我的手機充滿電只能發十條語音?

  電動車顯示還剩 10% 電量,蹭了不到一百米,直接拋錨了,難道我的車滿電續航只有一公里?

  電量焦慮這個事情就像中年危機,越看越焦慮,越焦慮就越想看。

  在Apple最新的 iOS 16 中,闊別五年的 iPhone 百分比電量顯示又回來了。今天更新的 iOS 16.1 正式版做了優化,在電量數值減少的同時,電池圖標也會同步變化。(之前因為劉海屏設計的出現,擠占了頂部大部分空間。想知道還剩多少電量,只能通過下拉的方式在控制中心中查看。)

  對於這樣的“回歸”,不少用戶缺大呼“缺德”—— 懸在手機頂上的百分比,就像定時炸彈的倒計時,自帶腦補音效,時刻提醒著你“該充電了”。

  這個讓你焦慮的“百分比”,叫 SoC(State of Charge,荷電狀態),代表電池賸餘容量和實際容量的比值。手機(或者電動車)還剩多少電,是無法直接測量獲得的,得通過測量電壓和電流,再估算獲得。

  所以電池賸餘電量是靠它自己蒙的?

  通常,手機上顯示的“滿電”狀態,並不是電池真的充不進電 —— 廠商會給電池定義充電截止電壓和放電截止電壓:常見的一種情形是,1% 的電竟然能用很久,這可能是工程師想讓你儘早充電,以免電量真被耗盡,損傷電池。

  有多種測量方法可以“蒙”出 SoC 值。常用的比如庫侖計(也稱安時積分法)—— 統計使用過程中的電流情況。簡單來說,在電池里安裝一個計量芯片,不同電流產生不同的壓差,芯片通過對變化的電流和時間進行積分,得到用戶使用時的電量,便能得到賸餘電量。

  這種測量方式的弊端在於它是一個開環的估算系統,不具備對初始值誤差的矯正能力和對由噪聲、測量偏差導致的誤差的調整能力。

  另一種常見的是電壓測試法 —— 通過測量電池的電壓判斷電量的變化。在一定溫度下,電池的 SoC 與開路電壓(OCV)呈現一一對應關係。但由於開路電壓的獲取往往需要長時間的靜置,讓開路電壓法在線估算難以開展。

  比如磷酸鐵鋰電池的 OCV-SoC 曲線就是“非線性”的。在圖示範圍,即使 SoC 出現較大範圍的變化,反映在 OCV 的數值變化卻很小。

  不同的測量方法都各有優劣,共性是都存在誤差。廠商也在研究通過優化算法(如神經網絡、卡爾曼濾波、模糊算法等),建立更加準確的電量估算模型。比如在庫侖計法中,需要配合卡爾曼濾波法進行初值校準;在開路電壓法中,依靠歷史數據建立動態平衡電壓,再運用到 SoC 實時估算中。

  “蒙”不準會造成什麼後果?比如開頭舉的例子,顯示電量明明還剩 10%,但點開個 app,手機就沒電關機 —— 也許是因為電池老化,而 SoC 估算沒做好,沒有預測電池的衰減情況。

  電量顯示不準確,加劇了人們的“電量焦慮症”,為此大容量電池一度成為智能手機的重要賣點,手機廠商更是如同軍備競賽一般,瘋狂發展快充技術。只不過種種措施並沒有完全治好人們這塊心病。

  屏幕顯示和通信模塊是影響智能手機功耗的最關鍵因素。

  在功能機時代,手機屏幕小,更不用提追求高刷新率、高解像度、廣色域等特性。大部分功能機都能達到幾天的續航,一些以長續航為賣點的機型,續航更是能達到數月。2010 年,飛利浦發佈的一款 Xenium X513,電池容量僅 2000mAh,但待機能撐 60 天,可持續通話 20 小時。

  換個視角,其實是電池塑造了我們手機的模樣。1973 年Motorola發佈 DynaTAC 8000X,也被稱“大哥大”,大是因為一半的體積和重量都被電池占了。6 節圓柱形鎳鎘電池組成的電池倉,充電 10 小時,通話 35 分鐘。

  鎳氫電池技術的出現改變了人們對於手機“磚頭”的印象。1996 年,Motorola翻蓋手機“StarTAC”是當時市面上最輕、最小的手機,只有 88 克。

  功能機時代,哪怕一塊電池的續航不長,也能通過換電池來“續航”—— 就像現在一些新能源車的換電續航方案一樣。

  直到後來 iPhone 的出現,帶來了如今成為主流的一體機身,也帶走了“換電池”的便利。電池的體積隨著屏幕的面積一起變得越來越大。直到今天,有人拆開 iPhone 14 的內部,發現電池還占了近三分之一(在 iPhone 5 上最多曾占到一半)。

  智能手機發展史上,不乏以“大電池”為賣點的機型。2015 年發佈的金立 M5 擁有一塊 6020mAh 的電池,待機續航 49 天,可持續通話 71 小時,代價就是機身又厚又重(厚 8.5mm,重 214g)。

  另有一些民間極客熱衷於自我探索通過軟件優化來實現“省電”的解決方案,其中Android用戶群體最有代表性。

  起初Android機的硬件規格不高,單核 CPU,256M 或 512M 的運行內存,系統運行緩慢、卡頓。論壇上流傳著各種 root 教程。很多第三方 ROM 的 UI 十分精美,但用戶更多希望卸載系統預裝應用,釋放存儲空間,加速系統運行和省電。

  現在還能找到“教開發者如何做一款省電的Android ROM”一類文章。移動互聯網時代的首批極客,通過將手機 root,安裝 Xposed 框架,使用“綠色守護”等軟件管理後台,防止應用在鎖屏時被自動喚醒。經過這樣的“極致調教”,好一點的續航能力能達到三四天左右。

  2010 年前後,剛剛被普及了智能手機的人們最熱衷的就是在網絡上討論和散播各種“省電玄學”:關藍牙、Wi-Fi,GPS 定位,主動清理後台,甚至降低手機亮度,使用深色壁紙。。。。。。

  Android系統直到更新 5.0 時,才加入官方的省電模式,開啟後會降低性能,延遲部分程式的自動更新。

  Apple的省電模式是從 iOS 9 開始的:當設備電量低於 20% 時自動激活,借由關閉背景應用程式及定位服務等耗電來源以增加續航力,至設備電量超過 80% 時自動關閉。

  直至今日,仍有人保留清後台、關藍牙的習慣,即便這些措施對於延長續航已經作用不大。根據 Android Authority 的一項模擬測試,在一天使用中藍牙開與關的電量消耗差異僅有 1.8%。

  明明智能手機對於後台軟件的管理越來越成熟,鋰電池能量密度也越來越高,手機芯片功耗越降越低,可為什麼“一天續航”的魔咒一直都還在呢?

  那是因為雖然技術在進步,但需求和使用習慣也在跟著變。

  受大屏和輕薄化趨勢影響,如今主流智能手機很少以“大電池”為賣點。快充成為解決電量焦慮的主流方案,“充電 5 分鐘通話 2 小時”曾一度是營銷範例,如今的天花板是 iQOO 10 Pro,充電規格達 200W,10 分鐘充滿 4700mAh 電池。

  既然電池容量再難增長,那就增加它的“復活次數”,當充電無需花費太多時間,甚至可以忽略的時候,低電量帶來的焦慮感就會少很多。

  減少,並非完全消除。現在各家快充協議複雜,除公有的 PD、QC 快充,還有 OPPO 的 VOOC、vivo 的 FlashCharge 等私有協議,對充電頭及線材的適配要求高,很多人除了原裝充電套裝,並不會多配幾套覆蓋全場景。買一個不錯的第三方氮化镓充電器價格在百元以上,又是一筆額外的成本。

  電量焦慮的“心態問題”,最終要靠電池技術的發展。電池技術是個極其複雜的問題,要考慮電池壽命、安全性、效率、成本等各種因素,只靠增加能量密度解決不了問題。

  電池充放電的本質是離子在正負極之間定向運動,它在與電解液中的物質發生化學反應時是有消耗的(還會受溫度影響)。電池被造出來的那一刻,壽命就在減少,即便放著不用,也有損耗。每個人的手機使用習慣不同,也會影響實際耗電速度。

  目前結合快充技術,省電模式等,幾乎不需要我們以犧牲體驗為前提,追求長續航。只是得知了真相之後,才知道過去操的那些心,終究是“錯付”了。

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