Оценка профилей тока, напряжения и температуры литий-ионных аккумуляторов для мобильных телефонов, находящихся в эксплуатации

Состояние заряда или время работы аккумулятора, а также состояние здоровья или срок службы будут зависеть от тока разряда продукта с течением времени. Для мобильного телефона ток разряда зависит от конкретных приложений, которые работают. В этой статье представлено экспериментальное исследование по измерению и оценке рабочего профиля заряда/разряда, температуры и напряжения на клеммах шести приложений Android; WhatsApp, Facebook, Facebook Messenger, Instagram, Snapchat и TikTok на смартфонах. Результаты показывают, как ток разряда, необходимый для работы приложения, повлияет на время работы и срок службы батареи из-за комбинированного влияния тока разряда и температуры.

I. ВВЕДЕНИЕ

В 2020 году число пользователей мобильных устройств (смартфонов) превысило 3,5 миллиарда человек, что составляет 42% от общей численности населения мира [1, 2]. Этим пользователям все чаще требуются смартфоны с улучшенной функциональностью и производительностью для поддержки игровых и социальных приложений (приложений) [3]. Это, в свою очередь, создает нагрузку на аккумуляторную систему, которая считается одним из самых слабых звеньев в современном мобильном телефоне [4, 5]. На самом деле, некоторые энергоемкие приложения могут сократить время работы батареи до нескольких часов для пользователей [6] и были отмечены как вероятная причина проблемы замедления работы Apple IOS в 2017 году [7]. Краузе и др. [8] показали негативное и крайне нелинейное влияние C-скорости на срок службы литиевых батарей. Донг и др. [9] также отметили, что ускоренное старение батареи происходит из-за высокой скорости разряда. Проблемы надежности также были отмечены высокими показателями C, поскольку они вызывают высокую температуру, которая ускоряет явления старения батареи и иногда вызывает тепловой разгон [9, 10]. Также сообщается о значительном падении напряжения на клеммах при высоких коэффициентах C, что влияет на работу смартфона [7]. При высоких скоростях разряда для изношенной батареи с большим внутренним сопротивлением рассеивание тепла становится серьезной проблемой, и смартфоны неожиданно отключаются, даже когда в батарее остается значительный заряд [11]. Это также приводит к более низкой эффективной емкости батареи, чем указано производителем. Много усилий было приложено для решения этой проблемы высокого C-rate в современных смартфонах. Например, некоторые производители предлагают улучшить алгоритмы системы управления батареями (BMS), но это может привести к замедлению работы операционной системы [7]. Другой предлагаемый метод заключается в повышении эффективности системы за счет маломощных процессоров [5, 8]. Некоторые исследователи решают проблему высокого C-скорости путем повышения емкости батареи за счет улучшения химической работы батареи путем замены обычных электродов литиевой батареи электродами повышенной емкости (дисульфид молибдена) с повышенной функциональной способностью [12, 13]. Что касается работы смартфонов во время использования, различные исследования показывают, что традиционные испытания и квалификация литий-ионных аккумуляторов могут быть не в состоянии имитировать фактическое использование смартфона в реальных условиях [14], и что производители должны учитывать фактическую мощность. рассеивание приложений, а также аккумуляторов и схем смартфонов [15, 16]. Хотя некоторые модели были разработаны для профилирования энергопотребления смартфонов, они основаны на косвенных методах оценки характера разряда с использованием агрегированных текущих режимов [14, 1]. 20]. Прямые измерения импульсных токов разряда также проводились, но они полагаются на внешние датчики, которые могут вносить значительные погрешности измерения [17-19]. В этой статье представлено использование встроенных мобильных датчиков для непосредственного измерения текущего профиля разряда, напряжения на клеммах и температуры батареи, когда телефон работает с использованием шести различных приложений: WhatsApp, Facebook, Facebook Messenger, Instagram, Snapchat и TikTok. . Наш подход решает проблему косвенных измерений и усреднения параметров [21]. В предлагаемом методе используются данные встроенных мобильных датчиков, предоставленные производителями, через интерфейс прикладной программы (API). Мы разработали соответствующий набор пакетов Android (APK) для расшифровки параметров батареи исследуемых приложений. Мы также предоставляем алгоритм и API, которые использовали (см. Приложение), чтобы другие исследователи могли оценить другие мобильные телефоны. Остальная часть этой статьи составлена ​​следующим образом. В разделе 2 представлены телефоны на базе Android и API, которые собирают данные о работе. В разделе 3 представлен анализ профиля разрядки двух телефонов для тематического исследования и обсуждается влияние шести приложений на разряд батареи и температуру. В разделе 4 представлены выводы.

II. ОЦЕНКА СМАРТФОНОВ ДЛЯ РАБОТЫ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Доступность данных о состоянии батареи в процессе эксплуатации, включая ток, напряжение и температуру, зависит от программных интерфейсов, предоставляемых производителем, а также от возможностей встроенного сенсорного оборудования смартфона. Более высокое разрешение данных является ключевым для точной оценки параметров, например, разрешение в микроамперах для пикового потребляемого тока более полезно по сравнению с разрешением в миллиамперах или амперах. Точно так же время обновления параметров (минимальный интервал, после которого каждое значение обновляется в программных API) также важно для точного измерения изменений параметров. Семь производителей смартфонов на базе Android были оценены1 с использованием разработанного APK для проверки степени детализации (разрешение и время обновления) данных о токе разряда, напряжении на клеммах и температуре батареи с помощью предоставленного производителем API (программного обеспечения). Все семь производителей смартфонов поддерживают разработанную нами APK, но большинство производителей не предоставляют данных с высокой степенью детализации для детальной оценки тока, потребляемого батареями [22]. Например, текущий профиль разряда для Samsung J7 показан на рис. 1 (а), и не наблюдалось изменения тока при изменении работы приложения, хотя наблюдалось некоторое изменение температуры. Точно так же изменение тока для Huawei Nexus P6 усреднялось примерно за 20 с, что не позволяло получить подробную информацию о пиках тока при работе с конкретным приложением. Далее обновление напряжения или температуры большое и в результате никаких изменений не наблюдалось. В случае телефона Google (Pixel 2) текущий профиль разряда и профиль температуры/напряжения усреднялись каждые 2 с и 15 с соответственно, как показано на рис. 1(c). Подобно Samsung и Huawei, он также ограничивает разрешение по текущим значениям стока. РИСУНОК 1. Измерения силы тока, напряжения и температуры с помощью разработанного приложения: (а) Samsung, (б) Huawei и (в) Google. Результаты для всех семи производителей приведены в таблице 1. Поскольку самое высокое разрешение электрического тока и самое быстрое время обновления были измерены с Vivo (V9) и Motorola (Droid Turbo), эти два смартфона были выбраны для дальнейшего исследования. Оба неиспользуемых тестируемых телефона были полностью заряжен, чтобы сравнить емкость батареи с паспортной табличкой, чтобы проверить на предмет необычной деградации, и оба телефона прошли тест. Что касается доли рынка, Vivo продала более 102 миллионов телефонов по всему миру в 2018 году с долей рынка около 7%, тогда как Motorola продала более 35 миллионов телефонов в 2018 году [30]. В то время как смартфон имеет множество датчиков температуры, встроенных в устройство, температура батареи обычно измеряется термистором, расположенным рядом с клеммами, как показано для типичной сборки на рис. 2 [31, 32]. В разработанном нами приложении используется API-команда EXTRA_TEMPERATURE, которая специально измеряет температуру батареи [33]. Ток и напряжение батареи обычно контролируются с помощью одного чипа, такого как Maxim MAX77705C, показанного на рис. 2 [34]. Поскольку датчики уже встроены (встроены) в схему мобильного телефона, наше разработанное приложение использует неинтрузивный метод измерения параметров батареи через API-интерфейсы, предоставленные производителем [22]. III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Для получения профиля разряда телефоны Vivo (V9) и Motorola (Droid Turbo) сначала заряжали до полной емкости батареи (100%), а затем запускали каждое приложение примерно на 12–18 мин, после чего цикл зарядки до полного заряда. Мы обнаружили, что 10+ минут достаточно для тестирования всех основных функций приложения. В последствии телефон разрядился с помощью второго приложения и так далее. За это время было протестировано большинство общих возможностей конкретного приложения. Например, в случае WhatsApp были протестированы все функции, такие как текстовые сообщения, отправка/загрузка фотографий, отправка/загрузка голосовых заметок, голосовой вызов и видеовызов. Подробные функции, протестированные во время эксперимента для всех приложений, приведены в таблице 2. На протяжении всего эксперимента условия эксперимента оставались неизменными, чтобы свести к минимуму различия от одного приложения к другому. Например, запускалось только тестовое приложение (Snapchat, Facebook или другие — только по одному) вместе с разработанным нами APK. Все приложения были протестированы на телефонах, подключенных через Wi-Fi, а громкость звука и яркость экрана поддерживались на уровне 100% на протяжении всего эксперимента при температуре окружающей среды 26 ± 0,5 °C. РИСУНОК 2. Схема внутренней схемы смартфона высокого класса (на базе Android). На этом рисунке показано типичное расположение датчика температуры батареи и чипа измерения тока/напряжения рядом с батареей. Для обоих тестируемых телефонов на рис. 3 показана работа различных приложений (например, WhatsApp, Facebook, Facebook Messenger, Instagram, Snapchat и TikTok) в зависимости от потребляемого тока, напряжения на клеммах аккумулятора и температуры аккумулятора. Отрицательный ток представляет собой зарядку, тогда как положительный ток показывает разрядку (рис. 3(а)). Появляется несколько положительных всплесков во время зарядки, которые срабатывали при включении экрана для просмотра состояния батареи. Напряжения на клеммах (рис. 3(b)) имеют тенденцию к увеличению во время зарядки и тенденцию к снижению во время зарядки. разрядка, как и ожидалось. Однако быстрое изменение, наблюдаемое в профиле тока во время зарядки, не видно в профиле напряжения из-за меньшего времени обновления напряжения (программное ограничение производителя). Каждый датчик имеет отдельное разрешение и время обновления, предоставленные производителем и обобщенные в Таблице 1, где для большинства производителей время обновления датчика напряжения велико (несколько секунд) по сравнению с датчиком тока (миллисекунды). ТАБЛИЦА 2. Функции устройств, протестированные во время эксперимента для всех приложений. и просмотр видео Facebook Messenger Текстовые сообщения, отправка/получение изображений и видео, голосовая заметка, 1 минута видеовызова дважды и 1 минута аудиозвонка дважды с помощью различных эффектов фильтра TikTok Прокручивайте, лайкайте, комментируйте и создавайте видео TikTok Результат на рис. 3 (a) показывает, что скорость разрядки зависит от приложений, а также определяется технологией мобильного телефона (например, набором микросхем процессора, технологией камеры). , тип экрана и разрешение). Например, процессор, используемый в Vivo V9 (Qualcomm MSM8953-Pro Snapdragon 626), более энергоэффективен, чем используемый в Motorola Droid Turbo (Qualcomm APQ8084 Snapdragon 805), за счет улучшенного техпроцесса с 28 нм (Motorola) до 14 нм. нм (Vivo) [27, 28]. Далее, разрешение экрана у Motorola составляет 565 ppi по сравнению с 400 ppi у Vivo. Более высокое разрешение требует больше пикселей на дюйм и, в конечном итоге, потребляет больше энергии на дюйм. Таким образом, поведение приложений значительно различается на разных телефонах, и в конечном итоге одно и то же приложение может работать по-разному на мобильных устройствах разных производителей [27, 28]. Температурный профиль для обоих телефонов показан на рис. 3(с). Температура постоянно увеличивается во время использования приложения и снижается в процессе зарядки (по сравнению с операцией разряда при использовании приложения) [35, 36]. Для телефона Vivo V9 температура довольно постоянна во время использования различных приложений, а во время интервала зарядки температура нормализуется до уровня ниже 32 °C, при этом максимальная температура батареи составляет около 40 °C. Однако для телефона Motorola использование Snapchat, TikTok и Facebook Messenger особенно увеличивает температуру выше 43 oC и как минимум на 3 oC выше, чем при использовании всех других приложений или условий зарядки. Количество всплесков тока от батареи также выше для Snapchat, TikTok и Facebook Messenger для телефона Motorola, что может значительно повлиять на старение и другие связанные с этим проблемы [37, 38]. Для описания текущего профиля разряда информации о среднем токе недостаточно для характеристики этих приложений. Кроме того, информация о всплесках тока также важна, поскольку она может иметь много непредвиденных последствий, таких как повышение температуры и ухудшение срока службы.

Чтобы оценить это далее, мы вычисляем функции плотности вероятности (PDF) и функции нормального распределения (NDF) профилей тока разряда для всех исследуемых приложений на рис. 4. PDF/NDF облегчает читателю понимание и реконструкцию. результаты для дальнейших исследований. PDF определяет распределение вероятностей для различных уровней потребляемого тока при использовании различных приложений. Самая высокая точка на PDF относится к среднему значению тока. В случае с телефоном Motorola несколько приложений, таких как Snapchat, имеют более высокое среднее значение (967 мА) по сравнению с Instagram (572 мА), результаты приведены в таблице 3. Более высокие токи, потребляемые аккумулятором, нежелательны с точки зрения рассеивания тепла. Кроме того, высокочастотные всплески тока не подходят для оптимальной работы батареи, поскольку они быстро сокращают срок службы батареи [37, 39]. Значения стандартного отклонения (SD) вместе со средними токами также приведены в таблице 3 для реконструкции профилей разряда. Поэтому производители должны указывать этот критерий при указании времени использования телефонов в непрерывном режиме.

V. ВЫВОДЫ

В этом исследовании отслеживался и оценивался профиль зарядки/разрядки в процессе эксплуатации (например, текущий разряд, напряжение на клеммах и температура батареи) смартфонов на базе Android во время активной работы шести самых загружаемых приложений социальных сетей 2019 года, т. е. WhatsApp. , Facebook, Facebook Messenger, Instagram, Snapchat и TikTok. Профиль зарядки/разрядки в процессе эксплуатации был получен с помощью разработанного нами комплекта пакетов Android (APK), который получает доступ к внутренним датчикам через интерфейс прикладной программы (API), предоставленный производителем. Заинтересованные читатели могут ознакомиться с нашей программой APP в Приложении. Как было показано в этом исследовании, скорость разрядки зависит от приложений и их работы, а также от аппаратного обеспечения телефона. Например, процессор, используемый в Vivo V9 (Qualcomm MSM8953-Pro Snapdragon 626), кажется более энергоэффективным, чем тот, который используется в Motorola Droid Turbo (Qualcomm APQ8084 Snapdragon 805). В результате одно и то же приложение потребляет меньше энергии на телефоне Vivo по сравнению с телефоном Motorola. Это исследование также показало, что работа приложения для любого конкретного телефона повлияет на его долгосрочную производительность и надежность. Например, работа Snapchat на Motorola оказалась наиболее энергоемкой и температуроемкой со средним током разряда 967 мА (при интервале использования около 20 мин) при повышении температуры до 45 oC. Приложения Instagram, Facebook, WhatsApp, Facebook Messenger и TikTok во время работы показали более низкий средний ток разряда 572, 610, 653, 854 и 933 мА соответственно. В дополнение к среднему току разряда пики электрического тока в потребляемом токе полезны при моделировании деградации батареи из-за ускоренных процессов старения. Для телефона Motorola результаты показали, что вероятность скачков тока выше 0,3C в Snapchat и TikTok составляет более 20%, что значительно выше, чем во всех других приложениях. Для телефона Vivo работа Facebook Messenger была значительно более энергоемкой по сравнению со Snapchat или TikTok. Более высокие пики тока приводят к нелинейному росту температуры из-за рассеяния I2R, что приводит к ускоренному процессу старения [37, 38]. В то время как производители указывают время работы аккумуляторов смартфонов (время, в течение которого батарея работает на одном полном заряде), наши результаты эксплуатации телефона в процессе эксплуатации подтверждают, что фактическое (экспериментальное) время работы значительно ниже, чем рекомендуемое производителем время разговора или время работы. В частности, токи разряда занижаются для работы в процессе эксплуатации, что приводит к сокращению продолжительности работы. Взяв в качестве примера работу Snapchat на телефоне Motorola, средний ток разряда составляет 967 мА (скорость примерно C/4, т. е. время работы около 4 ч), что значительно меньше рекомендуемого производителем времени работы телефона до до 48 ч. Хотя фраза «до 48 часов» может быть максимальным пределом, она вводит в заблуждение многих потребителей, поскольку фактическое время работы будет на порядок ниже для работы Snapchat. Точно так же средний ток разряда для Snapchat для Vivo V9 составил 705 мА (скорость примерно C/5) при времени работы около 5 часов. Наконец, информация, представленная в этой статье, оценивает профили разряда для смартфонов при использовании различных приложений только для двух производителей. В будущем можно рассмотреть и другие телефоны. Однако не все производители смартфонов позволяют/поддерживают измерение профиля разряда в высоком разрешении (миллисекунды). Например, Apple не предоставляет соответствующий API, тогда как Samsung и Google предоставляют только средний текущий профиль стока [7, 48]. Среднее значение, предоставленное этими производителями, не содержит информации о пиковых токах или влиянии различных функций приложений на разрядку батареи за короткие промежутки времени, которые важны для характеристики работы приложений или ухудшения модели на основе различного поведения потребителей.