Минус пятнадцать, остановка, жду такси. На экране 31 %. Открываю карту посмотреть, где машина, и телефон гаснет. Никакого окна «батарея разряжена», просто чёрный экран. Жму кнопку: логотип, и снова темнота. Дома он полежал минут двадцать на столе, включился как ни в чём не бывало и сообщил: 30 %.

Первая мысль понятная: аккумулятор врёт. Но за годы дежурств у меня выработался другой рефлекс. Если система падает при нормальных метриках, скорее всего, я смотрю не на ту метрику.

Тридцать процентов, до которых не дотянуться

Те 30 % на морозе действительно лежат в аккумуляторе. Литий никуда не утёк, энергия не испарилась. Беда в скорости: холодная батарея не может отдать энергию так быстро, как телефон требует её в эту секунду. Напряжение на мгновение проваливается ниже порога, и электроника выключается.

Похоже на счёт, где деньги есть, а банкомат выдаёт не больше тысячи за раз. Если пять тысяч нужны прямо сейчас, остаток не спасает. В тепле лимит снимают, и выясняется, что всё было на месте.

На холоде внутри банки всё вязнет

С одной стороны графитовый анод, с другой катод из оксида лития с кобальтом, никелем или другими металлами. Между ними пористый сепаратор, пропитанный электролитом: литиевая соль, растворённая в органических растворителях. При разряде ионы лития выходят из графита, проходят через электролит и встраиваются в катод. Электроны в это время бегут по внешней цепи, то есть через телефон.

Холод бьёт сразу по нескольким звеньям. Электролит густеет, и ионы движутся в нём медленнее. На поверхности графита есть тонкая защитная плёнка, химики называют её SEI, и сквозь неё иону на холоде протиснуться труднее. Сам переход иона из раствора в электрод тоже тормозит, а скорость таких реакций от температуры зависит очень сильно.

Снаружи всё это складывается в одну величину, внутреннее сопротивление. Аккумулятор ведёт себя так, будто последовательно с ним поставили резистор, и на морозе этот резистор становится в разы больше. Насколько именно, зависит от химии банки, её возраста и степени заряда. Единой цифры «для всех телефонов» нет, и тому, кто её называет, я бы не верил.

Закон Ома против навигатора

Напряжение на выводах под нагрузкой равно напряжению покоя минус ток, умноженный на внутреннее сопротивление. Дальше арифметика. Числа взяты для примера, у реальных телефонов они свои.

Допустим, при 30 % аккумулятор без нагрузки держит 3,7 В, а электроника телефона надёжно работает только выше 3,2 В. Порог тоже условный, у каждого производителя своя уставка. Внутреннее сопротивление в тепле пусть будет 0,15 Ом. Я открыл карту, процессор разогнался, модем на слабой сети прибавил мощности передатчику, и на долю секунды ток подскочил до 2 А. Просадка 2 × 0,15 = 0,3 В, на выводах 3,4 В. Живём.

Теперь мороз. Сопротивление выросло, скажем, втрое, до 0,45 Ом. Те же 2 А дают просадку 0,9 В, и на выводах остаётся 2,8 В. Заряд при этом всё те же 30 %.

Почему без предупреждения? В общих чертах так. Когда напряжение сползает медленно, система успевает это заметить, показать окно о разряде и выключиться аккуратно. Провал длиной в доли секунды программа не отследит. Его ловит защита в контроллере питания и гасит телефон сразу, как рубильником.

Полный аккумулятор на том же морозе держится дольше. Напряжение покоя у него в районе 4,2 В, у многих современных банок и выше, так что до порога есть запас. Вдобавок сопротивление литий-ионной банки обычно подрастает к нижней части заряда. Чем меньше процентов, тем больнее бьёт каждый всплеск.

Картина знакомая по мониторингу. Сервис спокойно держит средний RPS и падает на всплеске, которого на минутном графике даже не видно. Телефон на морозе тоже гаснет в момент действия: открыл камеру, запустил навигатор, начал звонить.

Иногда погасший телефон удаётся включить прямо на улице, если подождать минуту. Без нагрузки напряжение частично восстанавливается: внутри выравнивается концентрация ионов, которую ток успел «растащить». Только загрузка системы сама по себе тяжёлая нагрузка, и телефон нередко гаснет снова, не дойдя до экрана блокировки.

Откуда телефон знает свои проценты

Прямого датчика «сколько осталось» не существует. Заряд вычисляет отдельная микросхема, fuel gauge, и обычно двумя способами сразу.

Первый способ бухгалтерский. Счётчик интегрирует ток, втекающий в аккумулятор и вытекающий из него, и ведёт баланс. Ошибка у него копится, поэтому его сверяют со вторым источником, напряжением покоя: оно связано со степенью заряда. Но у литий-иона эта кривая в середине пологая. Большой кусок шкалы укладывается в небольшой диапазон напряжений, и маленькая погрешность измерения превращается в заметную ошибку в процентах. К тому же честное напряжение покоя видно, только когда аккумулятор отдохнул без нагрузки. А телефон почти никогда не отдыхает.

Поверх этого контроллер держит модель конкретной банки: ёмкость, сопротивление, иногда поправки на температуру. Что получится на холоде, зависит от того, как модель настроил производитель. Одни телефоны на морозе показывают, как проценты тают на глазах, а в тепле цифра «возвращается». Другие держат процент по счётчику и выключаются на 30 %. Бывает, что после аварийного выключения телефон пересчитывает модель и при следующем старте показывает на несколько процентов больше или меньше.

На старом Android я снимал данные через adb shell dumpsys battery. Там есть напряжение в милливольтах и температура аккумулятора в десятых долях градуса. Сравнил квартиру и полчаса на улице при почти одинаковых процентах: на холоде напряжение заметно ниже. В моём мониторинге процент заряда получил бы подпись «estimated», и алертов на нём я бы не вешал.

Разряжать на холоде можно, заряжать нельзя

Выключение на морозе само по себе аккумулятору почти не вредит. Глубокого разряда тут нет: в банке остаётся треть, и телефон гасит себя задолго до опасной зоны. Ёмкость недоступна временно, в тепле она вернётся. Для долгой жизни литий-иона куда неприятнее жара, и телефон, забытый летом на солнце за стеклом машины, стареет быстрее того, что провёл зиму в кармане.

С зарядкой всё иначе. В холодном аккумуляторе ионы лития не успевают встраиваться в графит, и часть оседает на поверхности анода металлическим литием. По-английски это называют lithium plating. Такой литий частично выбывает из работы навсегда, ёмкость падает необратимо, а в тяжёлых случаях наросты повышают риск внутреннего замыкания.

Нормальные телефоны это учитывают: контроллер заряда смотрит на датчик температуры и при холодной банке снижает ток или не заряжает вовсе. Полностью я бы на это не полагался. Датчик меряет одну точку, а прогревается банка неравномерно. Телефон с мороза я ставлю на зарядку не раньше чем через полчаса. Заодно уходит вторая ловушка, конденсат. Холодный телефон в тёплой квартире запотевает, как бутылка из холодильника, и влага может осесть в том числе в разъёме, куда я собираюсь воткнуть кабель. Ускорять прогрев феном или батареей отопления не стоит: перегреть телефон так проще, чем кажется.

Со старыми аккумуляторами всё хуже. С возрастом внутреннее сопротивление растёт и в тепле, так что изношенной банке для провала хватает лёгкого минуса. Если пару зим назад телефон спокойно жил на улице, а теперь гаснет при минус пяти, я бы в первую очередь подозревал износ, а не погоду.

Регламент на зиму

Магии нет. Держать аккумулятор в тепле и не устраивать ему пиков, пока он холодный.

  • Внутренний карман куртки, ближе к телу. Наружный карман и рюкзак ему сильно проигрывают, а стоит это ноль рублей.
  • Чехол немного замедляет остывание. Замёрзший телефон он не согреет.
  • Всё тяжёлое делаю в тепле: маршрут, такси, электронный билет открываю до выхода на улицу.
  • За городом при слабой связи модем работает на пределе и сам создаёт пики. Если связь в дороге не нужна постоянно, выручает режим полёта.
  • Погасший телефон не пытаюсь включать раз за разом. Каждая загрузка даёт тот же пик тока, а минут десять во внутреннем кармане обычно решают вопрос с первого раза.
  • Пауэрбанк ношу там же, у тела. Заряжаю от него только согревшийся телефон.

После той остановки у меня появилась ещё одна привычка: если телефоном предстоит пользоваться на улице, с утра он заряжен до конца, а не до «и так хватит». На морозе лишние проценты ценны не столько энергией, сколько запасом по напряжению.