Heute habe ich mir ein App im Play Store gekauft, die die Lade- uns Entladezyklen und Verbrauchswerte pro App in meinem moto G5 überwachen kann. Ich kann diese App nur empfehlen, da sie aus technischer Sicht einwandfrei funktioniert und dem Nutzer tatsächlich hilft, die Gebrauchsdauer seines Smartphone-Akkus und - bei Geräten mit fest verbautem Akku dessen gesamte Gebrauchsdauer - erheblich zu verlängern.
Es handelt sich um die App AccuBattery. Sie ist sogar mit dem von mir verwendeten Android 8.1.0 auf dem moto G5 kompatibel. Manche Apps funktionieren schon nicht mehr auf Android kleiner als 9.x . Ich finde das nicht gut, aber das müssen die Entwickler mit sich selbst abmachen ... . Die verkaufen dann eben weniger, nicht jeder nutzt immer die neuesten China-Smartphone-'Erfindungen'.
Die besagte App kann ich nach nur ein paar Stunden Nutzung uneingeschränkt empfehlen. Hier etwas Hintergrundwissen zum Thema Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Akkus aus der Hilfe zu dieser App (übersetzt mit deepL pro):
Auswirkung des Ladevorgangs auf den Batterieverschleiß
Alle Lithium-Ionen-Batterien nutzen sich mit der Zeit ab und verlieren an Kapazität. In der Vergangenheit wurden unzählige Forschungen durchgeführt, um die Mechanismen dahinter zu erklären und experimentell zu quantifizieren, welche Faktoren den Verschleiß beeinflussen. Die Lebensdauer einer Batterie wird in der Regel in Ladezyklen angegeben, wobei ein Zyklus eine Ladung auf einen bestimmten Wert (in der Regel voll) und eine vollständige Entladung bis zur Abschaltspannung (3,0 - 3,6 V je nach Experiment) umfasst. Wenn eine Batterie 300 Zyklen durchhält, können Sie sie 300 Mal aufladen, bevor die Kapazität unter das Ende der Lebensdauer fällt.
Leider wird die Lebensdauer und die Art und Weise wie sie gemessen wird bei Smartphone-Batterien nie angegeben. Wir wissen also nicht wie lange eine bestimmte Batterie hält, können aber das Wissen über das Verhalten von Li-Ionen-Batterien nutzen, um zu versuchen die Lebensdauer unserer Batterie zu verlängern.
Auswirkung der Spannung auf den Verschleiß
Die Spannung hat den größten Einfluss auf die Lebensdauer des Akkus. Die Degradation scheint durch zwei verschiedene physikalische Reaktionen gesteuert zu werden, wobei eine bis zu 3,92 V dominiert und eine andere bei höheren Spannungen.
"[...] die Degradationsreaktion der Zelle kann durch zwei verschiedene Mechanismen bei Spannungen über bzw. unter 3,92 V gesteuert werden. Es wurde vermutet [5], dass es sich bei der spannungsunabhängigen Reaktion unter 3,92 V um eine Oberflächenpassivierung (SEI) des kohlenstoffhaltigen Anodenmaterials handelt, während es sich bei der spannungsabhängigen Reaktion über 3,92 V um eine Oxidation des Elektrolyts handelt, bei der sich eine widerstandsfähige Oberflächenschicht auf dem kathodenaktiven Material ansammelt." (Choi 2002)
Choi testete 2002, wie sich das Laden bei unterschiedlichen Spannungen auf die Zyklusleistung auswirkt, und die Daten sind dramatisch: Bei jeder Erhöhung um 0,10 V halbiert sich die Lebensdauer der Batterie, was Asakura 2003 auch mit der Schlussfolgerung „eine Erhöhung der Ladespannung um etwa 0,1 V halbiert auch die Lebensdauer der Zelle“ bestätigte.
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| Abb. 1. Auswirkung der CV-Ladespannung auf die Zyklusleistung. Testzellen, die mit konstantem Strom bei 1C-Rate bis zur Abschaltspannung geladen wurden, gefolgt von CV-Erhaltungsladung bei dieser Spannung für 2,5 Stunden und dann bei 1C-Rate auf 2,75 V entladen wurden. |
Dieser Effekt kann bis zu einem gewissen Grad umgekehrt werden. Asakura testete 2003 Spannungen bis hinunter zu 4,0 V und stellte fest, dass jede Verringerung um 0,1 V die erwartete Lebensdauer verdoppelt.
Auswirkung der Ladegeschwindigkeit auf den Verschleiß
Das Laden mit hoher Geschwindigkeit scheint auch den Batterieverschleiß zu beeinflussen, aber die meisten Untersuchungen (wie Choi 2001) werden mit hohen Raten ab 1C (1x Batteriekapazität in 1 Stunde) durchgeführt.
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| Abb. 3. Auswirkung der Laderate auf die Zyklusleistung. Testzellen, die mit konstantem Strom bei 2verschiedenen Raten auf 4,2 V geladen wurden, gefolgt von CV-Erhaltungsladung bei 4,2 V für 2,5 h und dann auf 2,75 V bei 1C-Rate entladen. Die Zeiträume der CV-Erhaltungsladung für 1, 1,2 und 1,4C-Raten betragen 100, 110 bzw. 117 min. |
Telefonladegeräte werden immer schneller, aber soweit ich das beurteilen kann, ist keines von ihnen so dumm, einen Akku schneller als von null auf 100 % in 60 Minuten aufzuladen, d. h. 3000 mA für einen 3000-mAh-Akku. Sobald die Stromversorgung jedoch unbegrenzt ist, müssen die Hersteller darauf achten, dass sie eine Ladung nicht mit mehr als 1C erzwingen, da die Akkus sonst bei Schnellladung früher leer sind.
Auswirkung des Aufladens
Der Ladevorgang besteht immer aus zwei Teilen:
einem strombegrenzten Schnellladesegment (im Fachjargon Konstantstrom oder CC), bis die maximale Spannung erreicht ist.
einem spannungsgeführten zweiten Teil (hier wird die Spannung konstant gehalten = Konstantspannung oder CV), und die Geschwindigkeit der Ladung wird dadurch bestimmt, wie schnell Strom in die Batterie fließt, begrenzt durch den chemischen Prozess im Akku.
Choi zeigte 2002, dass der Teil mit konstanter Spannung für eine Batterie am schädlichsten ist. Das Laden auf 4,2 V mit konstantem Strom bei 1C führt zu keiner allzu starken Schädigung, aber wenn die Batterie für eine zusätzliche Zeit auf dieser Spannung gehalten wird, wird der größte Teil der Zelle beschädigt.
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| Abb. 3. Auswirkung der CV-Ladezeit bei 4,2 V auf die Zyklusleistung. Testzellen, die mit konstantem Strom bei 1C-Rate auf 4,2 V geladen wurden, gefolgt von der CV-Erhaltungsladung bei dieser Spannung für verschiedene Zeiträume und dann auf 2,75 V bei 1C-Rate entladen wurden. |
Wir modellieren dies nicht in AccuBattery, aber bei den meisten Geräten können Sie den Stromabfall bei einem Ladezustand von etwa 80 % beobachten. Wenn Sie das Ladegerät vor diesem Wert ausstecken, vermeiden Sie den Teil der Ladung mit konstanter Spannung. Dasselbe kann durch Überwachung der Spannung und Ausstecken erfolgen, bevor die Spannung das Maximum erreicht, wodurch die Ladesitzung vor dem Abschnitt mit konstanter Spannung beendet wird.
Verlängerung der Batterielebensdauer durch niedrigere Ladestände
Dies ist eine der Hauptfunktionen von AccuBattery, die den Benutzern eine benutzerfreundliche Möglichkeit bietet, die Höhe des durch das Laden verursachten Schadens zu visualisieren, und es ihnen ermöglicht, einen niedrigeren Grenzwert festzulegen, um die Nutzungsdauer einer Batterie zu verlängern, was besonders bei nicht vom Benutzer austauschbaren Batterien wichtig ist.
Wir haben Millionen von Datenpunkten auf mehreren Geräten gesammelt, um den Batterieverschleiß zu modellieren. Da jede Batterie ihr eigenes Entladespannungsprofil hat, haben wir überprüft, ob wir die Entladekurve verwenden können, um Prozentsätze einer „idealisierten Spannung“ zuzuordnen, die dann verwendet wird, um die Ladung von x bis y in z Zyklen des Batterieverschleißalgorithmus einzuspeisen. Die absoluten Spannungen können sich zwischen den Geräten unterscheiden, aber die allgemeine Form der Entladespannungskurve ist an das Verhalten von Lithium-Ionen-Batterien als Klasse gebunden und zwischen den Geräten vergleichbar.
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| Abb. 4. Entladespannung im Standby-Modus im Vergleich zum Ladezustand gemäß Samsung Galaxy S6 (Originalstudie) |
In Blau: Entladespannung im Vergleich zur verbleibenden prozentualen Kapazität eines Samsung Galaxy S6, 80. Perzentil aus Messungen bei ausgeschaltetem Bildschirm, nicht im Tiefschlafzustand
In Orange: geglättete Kurve unter Verwendung des zentrierten gleitenden Durchschnitts, 5 Stichproben, mit abgeschnittenen Enden und manuell angepasst
In Grün: komprimierte idealisierte Entladekurve, die zu jedem getesteten Gerät passt, mit einem Spannungsbereich von 3,52 V bis 4,20 V
Das ist jedoch nicht perfekt – obwohl es wahrscheinlich richtig ist, dass das Laden auf 92/82 % die Lebensdauer Ihres Akkus verdoppelt/vervierfacht, wird dabei nicht berücksichtigt, dass verschiedene Hersteller ihren Ladeendpunkt unterschiedlich festlegen. Die Spannung am Ladeende schwankt stark zwischen den Herstellern, von 4,25 V bei einem Moto G (Gen 1) bis 4,4 V bei einem LG G4.
Laut der Ladehistorie und der Zustandsanalyse in AccuBattery verfügt das Moto G noch über 97 % seiner ursprünglichen Kapazität (was erstaunlich ist), während der Akku des LG G4 nach einem Jahr nur noch 76 % beträgt (basierend auf Daten von 129 Ladevorgängen, insgesamt 132270 mAh bei +5083 % geladen, mit einer geschätzten Kapazität von 2279 mAh von 3000 mAh neu). Auch Sony-Geräte sind im Ausdauerrennen führend, und Samsung liegt im Mittelfeld (4,35 V am Ende des Ladevorgangs).
Eine höhere Spannung bietet Ihnen zu Beginn mehr Kapazität (mAh), aber wie in Choi 2002 Abbildung 1 zu sehen ist, verschlechtert sich die Leistung Ihres Akkus bei Gebrauch ziemlich schnell, sodass Benutzer mit einem Gerät mit einer höheren als der üblichen Spannung wahrscheinlich versuchen sollten, auf ein niedrigeres Niveau zu laden und die Spannungsanzeige in der App zu verwenden, um zu bestimmen, auf welches Niveau Sie laden sollten.
Schätzungen des Verschleißzyklus
Nach der Formel, dass jeder Spannungsabfall von 0,1 V am Ende des Ladevorgangs einer Verdoppelung der Zykluslebensdauer entspricht, können wir die Kosten für den Verschleißzyklus wie folgt berechnen:
Wenn wir dies für einen Akku lösen, der normalerweise auf 4,2 V geladen wird, und Sie auf 4,1 V laden, ergibt sich 1/(2^(10*(4,2-4,1))) = 0,5 Verschleißzyklen.
Android-Handys werden jedoch nicht auf 4,20 V aufgeladen, 4,35 V ist heutzutage (im Jahr 2023) der gängigste Wert, also verwendet AccuBattery diesen Wert für Vmax. Der Verlauf wird anhand des Ergebnisses eines maschinellen Lernmodells geschätzt, um den Batterieprozentsatz bis zum geschätzten Verlauf nachzuschlagen.
Und mit diesen beiden Zahlen können wir die Zykluskosten einer Ladesitzung für Spannungen >= 3,95 V berechnen. Bei einem niedrigeren Ladeende wird davon ausgegangen, dass es zu einem linearen Verschleiß kommt, da es sich um einen anderen Mechanismus handelt, der den Schaden verursacht (Choi: Oberflächenpassivierung) und die Auswirkungen davon wurden nicht gut quantifiziert.
Effizienzbewertung
Der Effizienzwert berücksichtigt, dass ein Teilzyklus weniger Energie als ein vollständiger Zyklus hat, sodass 100 % Ladung für 1 Abnutzungszyklus = 100 % Effizienz ergibt. Das Laden von 0 % auf ~4,25 V ~= 92 % hat eine Effizienz von 92 % addiert / 0,50 Abnutzungszykluskosten = 184 %.
Laden auf Android-Geräten
Der Ladevorgang wird über den Akkuladeregler Ihres Geräts gesteuert, bei dem es sich um einen Chip handelt, der die Spannung und den Strom sorgfältig steuert, um Ihren Akku innerhalb der Sicherheitsgrenzen so schnell wie möglich zu laden. Apps können diesen Prozess nicht beeinflussen.
Der Ladevorgang wird entweder durch die Stromversorgung (der USB-Anschluss eines PCs ist nicht stark genug) oder durch den Laderegler begrenzt. Wenn die Stromversorgung keine Begrenzung darstellt, wird der erste Teil bis etwa 80 % durch den Strom begrenzt – der Hersteller hat eine Obergrenze von 800–1800 mA als Maximum festgelegt, und der Laderegler hält den Strom unter dieser Grenze. Nachdem die Spannung auf die Ladezielspannung von 4,2 bis 4,4 V angestiegen ist, sinkt die Stromstärke allmählich bis zum Endpunkt bei etwa 100 mA. Ist der Strom niedriger, gilt der Akku als voll.
Das Laden erfolgt bei einem Schnellladegerät in der Regel am schnellsten, wenn der Bildschirm ausgeschaltet ist und das Gerät im Leerlauf ist (keine Aktualisierung von Apps im Hintergrund usw.), aber während der Bildschirm eingeschaltet und in Gebrauch ist, sinkt die Ladegeschwindigkeit meistens auf weniger als die Hälfte. Wenn Sie es sehr eilig haben, schalten Sie das Gerät in den Flugzeugmodus und lassen Sie den Bildschirm ausgeschaltet.
Tipp: Apps, die angeblich die Ladegeschwindigkeit erhöhen, funktionieren einfach nicht, und diejenigen, die den Bildschirm eingeschaltet lassen, verlangsamen den Ladevorgang erheblich. Sie können die Ladegeschwindigkeit bei ein- und ausgeschaltetem Bildschirm über die Registerkarte „Laden“ in AccuBattery überprüfen.
Überprüfen Sie Ihr Ladegerät und das Kabel
Am besten testen Sie Ihr Ladegerät und Ihr Kabel, indem Sie die Ladegeschwindigkeit bei ausgeschaltetem Bildschirm überprüfen. Bei eingeschaltetem Bildschirm ist Ihr Telefon immer beschäftigt und die Messwerte für die Ladegeschwindigkeit (Strom in mA) sind sehr sprunghaft.
Schließen Sie das Ladegerät an, schalten Sie den Bildschirm für ein paar Minuten aus und überprüfen Sie die Geschwindigkeit, während der Bildschirm ausgeschaltet ist, um das Ergebnis zu erhalten.
Über andere Artikel
Lithium-Ionen-Batterien sind ein sehr heißes Thema und es werden Unmengen von Artikeln zu diesem Thema veröffentlicht. Wir haben versucht, hier die wichtigsten Artikel zum Thema Aufladen zu behandeln, aber wenn Sie etwas Interessantes gesehen haben, das wir übersehen haben, lassen Sie es uns bitte unter support@accubatteryapp.com wissen
Nicht alle Artikel und Whitepaper sind jedoch von gleicher Qualität – es wird viel über die Entladetiefe (DOD) gesprochen, ohne den Anfangs- oder Endzustand des Lade- oder Spannungsniveaus anzugeben, und wie wir gesehen haben, kann ein Entladungsgrad von 50 % 0–50 % Zyklen (= superhohe Zyklusleistung) oder 50–100 % Zyklen (besonders schnelles Entladen von Batterien) bedeuten, oder manche messen die Entladung als „Zeit zwischen den Ladevorgängen“ (Takeno 2006)
Quellenangaben:
Asakura, K., Shimomura, M., & Shodai, T. (2003). Study of life evaluation methods for Li-ion batteries for backup applications. Journal of Power Sources, 119-121, 902-905. doi:10.1016/s0378-7753(03)00208-8
Choi, S. S., & Lim, H. S. (2002). Factors that affect cycle-life and possible degradation mechanisms of a Li-ion cell based on LiCoO2. Journal of Power Sources, 111(1), 130-136. doi:10.1016/s0378-7753(02)00305-1
Ratnakumar, B. V., Smart, M. C., & Whitcanack, L. (2010). Storage Characteristics of Lithium-Ion Cells. doi:10.1149/1.3393865
Takeno, K., & Shirota, R. (2006). Capacity Deterioration Characteristics of Li-ion Batteries for Mobile Terminals. NTT DoCoMo Technical Journal, 7(4), 66-70.