🔋 Neovolt.ru ➡ Блог ➡ База знаний
О том, что аккумулятор обычно находится под крышкой смартфона, которая бывает съёмная (на защёлках), а бывает проклеенная эпоксидным клеем (тогда про такую батарею говорят, что она несъёмная) знает каждый (ну почти).
Фиксация делается либо на внутренней стороне крышки корпуса, либо (чаще всего) на обратной стороне экрана. Между крышкой и аккумулятором обычно размещают дополнительные модули (NFC-антенну и катушку беспроводной зарядки). Это тоже общеизвестный факт.
💡 Но вам может быть интересно, по каким именно законам дизайна размещается элемент питания внутри мобильного телефона.
Дизайн аккумулятора смартфона
Аккумуляторы являются ключевым элементом смартфонов. Вот только их применение в мобильных устройствах ограничено несколькими аспектами внутренней экономики предприятия:
- Ресурсы для изготовления
Литий-ионные/Литий-полимерные аккумуляторы содержат значительное количество кобальта, который является ценным ресурсом. - Скромные возможности технологии
Срок службы батареи строго ограничен (количество циклов зарядки от 500 до 1500), что ограничивает также и срок службы самого продукта (особенно когда замена не может быть сделана легко). - Безопасность и экономичность
Повторное использование или восстановление продукта требует неразрушающих условий правильной эксплуатации и быстрого процесса утилизации по окончанию (первого) срока службы.
В дальнейших суждениях мы опираемся на опыт научного деятеля Карстена Шишке (Karsten Schischke) из Института надёжности и микроинтеграции Фраунгофера IZM. Подробнее о его работах мы рассказывали здесь (непременно почитайте, если интересен сам источник информации).
Исследование Карстена основана на разборке 91 модели смартфонов. Оно показывает, что для одних и тех же функций часто производители выбирают два или три разных базовых дизайна, включающих параметры и способы интеграции.
💡 Вот, какими основными дизайнерскими масштабами мыслят производители:
- общая доля веса аккумулятора в конструкции смартфона,
- статистика по интеграции (местоположение внутри телефона),
- плотность энергии (тоже статистика).
Например, с этим пониманием можно объяснить появление L-образной батареи в флагманских линейках Samsung Galaxy и Apple iPhone. Мы уже рассказывали, например, с какими ограничениями компании сталкиваются в этом процессе. Наконец, давайте поговорим о параметрах выбора подробнее.
➡ Недавно мы говорили, о чём думала Apple, когда отказалась от съёмного аккумулятора в iPhone
Вес аккумулятора
Есть явная закономерность в выборе соотношения веса смартфона целиком и батареи в нём в отдельности. Доля элемента питания не должна превышать 40% общего веса устройства, иначе оно может быть слишком тяжёлым. Это не правило, а закономерность.
Она была выявлена при сравнении господином Карстеном 91 модели смартфонов. В список вошли все популярные за последние годы бренды (с 2013 года выпуска до 2019-го от Nokia и BlackBerry до HTC, Sony и Apple).
- 23% от общего веса телефона — средний показатель для всех участников;
- 20% — Apple iPhone (в среднем);
- 20%-30% — диапазон большинства телефонов от других брендов;
- 26% — средний показатель для Samsung (но некоторые модели показали до 35%, например, «старичок» Galaxy S4).
Так, например, самый востребованный сейчас смартфон Xiaomi Redmi Note 8 Pro имеет вес 199 г, а его аккумулятор — 45 г (22%). Из всей же статистики исследования цифры показали среднее значение веса смартфона в 125 г, в котором находится средний аккумулятор — 29 г (23%).
Размещение аккумулятора
Во многих смартфонах батарея проектировалась съёмной. Извлечение подразумевалось без каких-либо инструментов (после снятия с защёлок задней крышки). Порой без её удаления оказывалось невозможно даже заменить SIM-карту.
💡 Конструкция съёмного аккумулятора использовалась, например, в топовой серии смартфонов Samsung Galaxy (начиная с Galaxy S3 mini).
Позже уровень интеграции изменился. Батареи там, где они не предназначены для замены пользователем, стали вклеивать в корпус на две тонкие двухсторонние клейкие ленты на заднюю часть экрана.
Одним из первых смартфонов с такой конструкцией стал iPhone. Инженерный дизайн перенял Android-конкурент Apple в флагманской модели Samsung Galaxy S5, а затем и другие устройства.
⚠ Про клейкие ленты крепления аккумулятора
Эти клейкие полоски могут удаляться только с помощью инструмента (нагрев при помощи фена или растворители). Кроме того, полимер и фольгированная оболочка батареи тоньше жёсткого корпуса съёмного аккумулятора, и может быть повреждена в процессе извлечения.
Крепление батареи на двухстороннюю клейкую ленту должно предусматривать безопасное удаление. Производители оставляют вдоль торцевой части специальные язычки (с ярлыками). Если потянуть за них, то можно вынуть батарею без повреждения её корпуса.
Такая конструктивная особенность внедрена с 2013-го года. Считается, что первым стал планшет Asus Google Nexus 7 (Schischke et al., 2014), а теперь встречается во всех iPhone, начиная с версии 6, затем Huawei P9, линейка Samsung Galaxy и так далее практически в любом современном смартфоне.
Встроенные батареи не обязательно тоньше, чем те батареи, которые являются съёмными. Мы об этом говорили подробно здесь. Если вы сравните Samsung Galaxy S3 2012-го года со съёмным аккумулятором и Galaxy S7 2016-го с несъёмным, то обнаружите одинаковую толщину обоих элементов питания (6 мм). А вот объём батареи Galaxy S7 будет немного больше, его номинальная ёмкость почти на 50% выше (3000 мАч против 2100 мАч).
Плотность энергии
Объём самого аккумулятора, его номинальная ёмкость и накапливаемая энергия в разобранных смартфонах складываются в несколько интересных тенденций.
- Объём почти не изменился
Объём батареи за всю историю эволюции смартфонов практически всегда остаётся на одном уровне, немного увеличиваясь в топовых флагманских моделях и планшетофонах с большим экраном (например, серия Samsung Galaxy Note или линейка фаблетов iPhone Plus). - Жёсткий каркас заменили на мягкую оболочку
Применение дизайна «пакетных элементов» (в полимерной или фольгированной оболочке) не привело к уменьшению размера батарей. - При всём при этом ёмкость увеличивается
Номинальная ёмкость батареи увеличилась по мере совершенствования литий-ионной и литий-полимерной технологий и роста потребности в энергии аппаратной начинки смартфонов.
В итоге образовалась уверенная тенденция к увеличению плотности энергии батареи смартфона. В период с 2012-го по 2019-й средний показатель вырос примерно на 50%.
💡 Вполне вероятно, в 2020-м и 2021-м годах производители представят разработки для ещё большего уплотнения энергии в существующих габаритах аккумуляторов.
***
Как вы понимаете, место, где находится аккумулятор внутри смартфона, выбрано не наобум. Вес, габариты, объём «пакета» химии, ёмкость, накапливаемая энергия, оболочка безопасности, способы извлечения и ремонтопригодности привели к практически полному исчезновению съёмных батарей.
Теперь производитель вынужден экспериментировать. L-образные формы, размещение тяжёлых компонентов так, чтобы смартфон не вываливался из руки. И при этом компании обязаны не повторять ошибок дизайна взрывающегося Samsung Galaxy Note 7 — ведь шутки с электрохимическими элементами питания могут закончиться трагедией.
Напишите в комментарии, насколько критически важным вы считаете отказ производителей от съёмных аккумуляторов и готовы ли мириться с несъёмной конструкцией ради увеличения плотности энергии в новых моделях смартфонов?