携帯電話のバッテリーの残り 1% がなぜ長持ちするのでしょうか?私たちは皆それに騙されました。

周囲に携帯電話をいじっている人がいて、突然叫びながら立ち上がり、狂ったように充電器に駆け寄ってきたら、その人はおそらく Huawei ユーザーであり、携帯電話の画面には「バッテリー切れまであと 30 秒」というカウントダウンが表示されています。

「30秒カウントダウン」は、バッテリー残量が2%に達したときにHuaweiの携帯電話に表示される機能です。 30 秒以内に充電器が接続されない場合、携帯電話は自動的にシャットダウンします。

画像ソース: モバイルスクリーンショット

しかし、Apple の携帯電話ユーザーの場合、状況はまったく異なります。バッテリー残量が 1% になったら、落ち着いて数通のメッセージに返信し、充電ケーブルをゆっくりと取り出して、落ち着いて携帯電話に接続します。

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なぜ Apple の携帯電話のバッテリーの残り 1% は長時間持続するのに、Huawei の携帯電話のバッテリーの残り 2% は 30 秒しか持続しないのでしょうか?

実はこれは誤解です。携帯電話に表示される残量は正確な電池残量ではありません。これを明確にするために、まず携帯電話のバッテリーについて話さなければなりません。

携帯電話はどうやってバッテリー残量を知るのでしょうか?

携帯電話のバッテリーが電力を供給できる理由は、バッテリー内で起こる化学反応によるものであることは誰もが知っています。理論的には、反応物質がどれだけ残っているかを測定することで、どれだけの電気が残っているかを正確に知ることができます。
このプロセスは、タンクにどれだけの水が残っているかをテストするのと同じくらい簡単に聞こえますが、実際には非常に困難です。現在の携帯電話のバッテリー内部の反応物質の量を直接測定する方法はありません。携帯電話のバッテリーレベルを推定する唯一の方法は、回路内のいくつかのパラメータを検出することです。

したがって、携帯電話に表示されるバッテリー残量は、実際には推定値です。

携帯電話にはテストが必要なバッテリーパラメータが多数あります。ここでは主に、携帯電話の残量推定に関連する 2 つのパラメータを紹介します。

電圧

携帯電話のバッテリーをオンラインで検索すると、多くのバッテリーに標準電圧（「公称電圧」とも表記）というパラメータが記されていることに気づくでしょう。この電圧は一般的に3.7V程度ですが、実は携帯電話のリチウム電池は動作中に最初から最後までこの電圧を安定して出力しません。

リチウム電池に表示されている標準電圧（画像出典：オンラインストアのスクリーンショット）

たとえば、この図は、放電プロセス中の特定のモデルのリチウム電池の電圧の変化を示しています。放電開始時の電圧は4.2Vに近く、放電終了に近づくと電圧が急激に低下します。

特定の種類のリチウム電池の放電電圧の変化、画像出典：参考文献1

そのため、携帯電話は内部のバッテリー電圧の変化を検出することで電力量を判断することもできます。たとえば、バッテリー電圧が 4.2 V の場合を完全に充電 (100%) し、3.3 V の場合を消耗 (0%) と定義できます。この時点で、携帯電話は自動的にシャットダウンします (通常、携帯電話はバッテリー電圧を 3 V まで下げることはほとんどありません)。

このような曲線に基づいて、携帯電話は残りの電力を表示できます。この方法は単純でわかりやすいように思えますが、いくつか問題があります。

最も明らかな問題は、使用中に電圧降下が線形プロセスではないことです。図の曲線から、電力がほぼ使い果たされると、バッテリー電圧がより速く低下することがわかります。この曲線に厳密に基づいて表示した場合、バッテリーレベルが突然 15% から 0% に低下し、大きな問題が発生する可能性があります。

ただし、表示されるデータにいくつかの修正を加える限り、この問題は比較的簡単に解決できます。さらに、電圧のみに基づいて電力レベルを判断すると、多くの要因の影響を受けるという問題に直面します。

たとえば、動作電流条件が異なると、電圧降下曲線も異なります。異なる動作電流条件下では、バッテリー放電曲線は異なり、これをレート性能と呼びます。下の図は、さまざまなレート条件下でのバッテリー電圧の低下を示しています。

異なるレート条件下でのバッテリー電圧の変化、画像ソース: リチウムイオンバッテリーデータシート、バッテリーモデル: LIR18650 2600mAh (EEMB Co., Ltd.)

携帯電話でチャットをしている場合、バッテリーの動作電流が比較的小さいため、現在の状況に基づく残りの電力推定値が高すぎる可能性があります。モバイルゲームを開くと、携帯電話の動作電流が増加します。携帯電話が再推定した後、残りの電力がそれほど高くないことがわかり、表示される電力が変わる可能性があります。

したがって、携帯電話では、バッテリー電圧の検出に加えて、他のパラメータも検出する必要がある場合があります。

充電

多くの携帯電話の内蔵チップにはクーロンカウンターと呼ばれるものがあり、携帯電話が残りの電力をより正確に判断するのに役立ちます。

すでに多くの人が高校時代の電気の知識を物理の先生に返していると思いますが、「ミリアンペア時間」という単位は誰もが知っていると思います。結局のところ、携帯電話のバッテリー容量はミリアンペア時間 (mAh) で測定されます。一般的に、mAh が大きいほど、より多くの電荷を蓄えることができます。

「クーロンメーター」の「クーロン」も電荷の単位です。クーロンメーターは、使用中にバッテリーからどれだけの電荷が放出されるかを検出できます。バッテリーが蓄えられる充電量から消費された充電量を差し引くと、残っている電力がわかります。

クーロンカウンターの助けを借りれば、携帯電話はより正確な電力予測を行うこともできますが、それでも誤差は残ります。したがって、表示される残りの電力は、正確な値ではなく、あくまでも推定値です。

製品に関する考慮事項

携帯電話のバッテリー寿命を予測する際には誤差が生じるため、携帯電話メーカーごとに独自の考慮事項があります。

たとえば、一部のメーカーは、バッテリー電力の推定がそれほど正確ではないため、できるだけ早く携帯電話に 1% と表示させるだけと考えるかもしれません。こうすることで、ユーザーは不要なトラブルを避けるためにできるだけ早く携帯電話を充電することができます。

さらに、バッテリーがなくなると、多くの携帯電話は自動的に低電力モードに入り、画面の明るさを下げ、重要でないバックグラウンドプログラムの実行を停止します。これらすべてにより、最後の 1% がより長持ちします。

画像ソース: モバイルスクリーンショット

一部のメーカーは、バッテリー残量が 2% に達したときに 30 秒間充電器まで走らせる戦略を採用しています。

そのため、 Apple の 1% のバッテリーは長時間持続しますが、Huawei の 2% では 30 秒しか持続しません。これらは比較できるものではなく、どちらかのバッテリー寿命が長いとは言えません。

バッテリー残量1%以下の緊急モード

Huaweiの「30秒間の死」は恐ろしく見えるが、Mate 50が2022年9月に発売されたとき、Huaweiは30秒のカウントダウン後、直接シャットダウンするのではなく、携帯電話が緊急モードに入ることを可能にする「エネルギーポンプ」技術も追加した。緊急モードでは、10 分以上電話で通話したり、いくつかのコードスキャン操作を実行して緊急の問題を解決したりできます。

この技術が初めて登場したとき、これはまったく新しい技術ではなく、携帯電話が意図的にパワーの一部を隠して表示していないだけだと考える人もいました。しかしその後、レビューがどんどん出てくるようになり、携帯電話がバッテリー寿命を隠していないことが判明しました。

評価の結果、一般的に Android スマートフォンの電圧が 3.3 V 前後になると、スマートフォンの正常な動作を維持できず、自動的にシャットダウンすることしかできないことが判明しました。「エネルギーポンプ」技術は、バッテリー電圧が 3.3V 以下に低下した後も低電圧で携帯電話に電力を供給し続け、緊急時の使用に備えてバッテリーの最後の電力を絞り出すことができます。

これにより、「死の30秒」のカウントダウンによってもたらされる緊張も緩和され、Huaweiは最後の2％の電力の「耐久性」についても評価されることになる。

しかし、バッテリーの健康のために、充電する前に電池が切れるまで携帯電話を使用することはお勧めできません。バッテリーの使用量が約 50% になったら、携帯電話を充電できます。

携帯電話の充電についてもっと知りたいですか?詳しくはこちら→（バッテリーは500回しか充電できない？バカバカしい！この本当の充電の秘密はコレクションにおすすめです）

参考文献

[1]https://www.richtek.com/Design%20Support/Technical%20Document/AN024

[2]リチウムイオン電池データシート、電池モデル：LIR18650 2600mAh（EEMB株式会社）

[3] レビュー動画: https://www.bilibili.com/video/BV1b84y117yr/?vd_source=4de26bbe48ce5be01ed7193227fe526f

企画・制作

この記事は科学普及中国-星空プロジェクトの作品です

中国科学普及部が制作

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

著者: サイエンス・スクラップス・ポピュラーサイエンス・チーム