Mobile Geräte haben unsere Arbeitsweise sowie unsere Freizeitgestaltung verändert – meist im positiven Sinne. Eine negative Begleiterscheinung ist allerdings die ständige Sorge, wenn wir morgens aus dem Haus hetzen, ob unser Smartphone genügend Saft hat, um den Tag bei Surfen im Internet, in sozialen Netzwerken und bei Videoaufnahmen zu überstehen.
Die Gewissenhafteren unter uns legen jeden Abend ihre Mobilgeräte bereit, um sie vor dem Schlafengehen noch ans Ladekabel zu hängen und bei voll geladenem Akku wieder aufzuwachen. Doch trotz kontinuierlicher Fortschritte in der Akkutechnologie während der letzten Jahrzehnte sorgen großflächige, helle Bildschirme, leistungsstarke Prozessoren und eine permanente Online-Verbindung dafür, dass selbst die Organisiertesten unter uns bereits Stunden vor Beendigung ihrer täglichen Cyberaktivität von dem gefürchteten roten Akkusymbol heimgesucht werden.
Kein Wunder, dass frei zugängliche Steckdosen an öffentlichen Orten, in Arbeitsräumen und Fahrzeugen schnell von Ladegeräten in Anspruch genommen werden und fleißig ihren Dienst tun, um die Akkus unserer Mobilgeräte kurzerhand mit Strom zu versorgen. Forschungsansätze zu Nutzergewohnheiten legen nahe, dass 50 Prozent der Ladevorgänge 30 Minuten oder weniger andauern, und selbst währenddessen werden mobile Geräte von ihren Nutzern häufig für andere Aktivitäten genutzt, so dass die eigentlich zum Aufladen verfügbare Energie reduziert wird.
Vom Verbraucher kaum wahrgenommen, hat der Chiphersteller für mobile Telekommunikation Qualcomm sich dieser Herausforderung gestellt, indem er Hersteller mobiler Geräte dazu anregt, die „Quick Charge“-Technologie für beschleunigtes Aufladen einzusetzen. Aktuell hat das Unternehmen Quick Charge 3.0 herausgebracht, womit das Aufladen noch stärker beschleunigt und gleichzeitig die Effizienz verbessert wird.
Beschleunigen des Ladevorgangs
Wie wirkt sich ein kurzes Anschließen an eine Netzsteckdose auf den Akku eines mobilen Geräts aus? Ganz klar, es wird die Akkuleistung verbessern, doch inwieweit, hängt von mehreren Faktoren ab: dem Ladegerät, ob das Mobilgerät während des Ladevorgangs genutzt wird oder nicht, und insbesondere von der verbleibenden Akkuleistung vor dem Aufladen. Wird jedoch angenommen, dass ein herkömmlicher 3300-mAh-Akku für mobile Geräte nur noch wenig Akkuleistung aufweist und mit einem 5 V/1 A (5 W)-USB-Ladegerät aufgeladen wird, könnte die Akkuleistung während eines 30-minütigen Ladevorgangs um 15 Prozent gesteigert werden (in der Praxis würden Systemverluste diese Steigerung auf ca. 12 Prozent heruntersetzen). Während dies vielleicht hilfreich für diejenigen ist, deren Akku seine letzten wenigen hundert Milliampers erreicht hat, und durchaus dazu führt, dass diese sich vor Arbeitsende auf die Jagd nach einem Netzteil machen, beeindruckt es im Allgemeinen jedoch kaum.
Eine Methode zur Beschleunigung des Ladevorgangs ist die verbesserte Stromversorgung durch das Ladegerät. Einige Hersteller haben diesen Ansatz übernommen und bieten z. B. USB-Ladegeräte mit einer Leistung von 5V/2A (10 W), was die Aufladekapazität im Vergleich zu der zuvor erwähnten eher bescheidenen Leistung während eines 30-minütigen Ladevorgangs (theoretisch) verdoppeln würde.
Unglücklicherweise sind Lithium-Ionen-Akkus, die (weitaus) dominierendere Akku-Technologie für Mobilgeräte, eher empfindliche Komponenten. Ein schnelles Aufladen produziert Hitze, die die innere Akkustruktur unmerklich verändert, was in reduzierter Leistungsfähigkeit, frühzeitigem Ausfall und im schlimmsten Fall in einem spektakulären und gefährlichen Verbrennen resultieren kann. Angesichts dieser Herausforderung haben Hersteller verständlicherweise mit Vorsicht gehandelt, indem sie den Ladevorgang vorzugsweise verlangsamen als sich mit zahlreichen kostspieligen Reklamationen konfrontiert zu sehen.
Dennoch hat Qualcomm seit der Aneignung von Fachwissen über die Ladetechnik durch den Erwerb von Summit Electronics im Jahr 2012 die Vorteile von Quick Charge gefördert, eine Technologie, die darauf abzielt, schnelles Aufladen mit langer Akkulebensdauer in Einklang zu bringen. Quick Charge arbeitet unter Verwendung eines Algorithmus, der auf dem Snapdragon Prozessor von Qualcomm verarbeitet wird (demselben Prozessor, der das Herz des DragonBoard von Qualcomm ausmacht) und dafür sorgt, dass kontinuierlich die maximale Leistung ermittelt wird, die während des Ladevorgangs in einen Akku eingespeist werden kann, ohne diesen zu beschädigen.
Quick Charge wurde von zahlreichen Herstellern mobiler Geräte eingesetzt, die den Snapdragon Prozessor und das damit verbundene Energiemanagement IC (PMIC) in ihre Smartphones integrieren und ihren Kunden USB-Ladegeräte zur Verfügung stellen, die mehr Energie als herkömmliche Geräte liefern können. Verbrauchern mag es vielleicht noch nicht aufgefallen sein, aber viele moderne Smartphones laden dank Quick Charge sehr viel schneller als ihre Vorgängermodelle. Qualcomm gibt z. B. an, dass Quick Charge 2.0 (in Kombination mit einem USB-Ladegerät von 9 V/2 A (18 W)) einen leeren 3.300-mAh-Smartphone-Akku innerhalb von 30 Minuten auf einen Ladestand von 63 % bringen kann.
Für diesen Herbst hat Qualcomm die Version 3.0 von Quick Charge angekündigt, die im kommenden Jahr in Mobilgeräten zu finden sein wird. Die hauptsächlichen Neuerungen dieser Version sind ein überarbeiteter Algorithmus, die Technologie INOV (Intelligent Negotiation for Optimum Voltage), die das PMIC so steuert, dass es die Ladespannung in 200-mV-Schritten innerhalb eines Bereichs von 3,6 bis 20 Volt reguliert. Dies entspricht 82 möglichen Ladeschritten bei der Spannungszufuhr während Version 2.0 lediglich 4 zu bieten hat.
Die Ergebnisse der von Quick Charge 3.0 hervorgebrachten Verbesserungen sind eine mittelmäßige Steigerung der Ladegeschwindigkeit (ein um zusätzliche 8 Prozent erhöhter Ladestand innerhalb von 30 Minuten verglichen mit Version 2.0, siehe Abbildung), aber eine bedeutend bessere Effizienz. Die verbesserte Effizienz entstammt in erster Linie dem mehrschrittigen Aufladeschema, das eine Energiezufuhr ermöglicht, die weit besser auf die Akkuanforderungen zu bestimmten Zeitpunkten während des Ladezyklus abgestimmt ist und Systemverluste begrenzt. Laut Qualcomm gehen mit Quick Charge 3.0 im Vergleich zur vorherigen Generation der Technologie während eines 30-minütigen Aufladevorgangs eines 3.300-mAh-Akkus ganze 38 Prozent weniger Energie verloren. Weniger Energieverlust bedeutet zudem weniger Hitze, und das bedeutet wiederum weniger Belastung für den Akku.
Hersteller, die sich für Quick Charge entscheiden, kontrollieren den maximalen Ausgangsstrom des USB-Ladegeräts. Da es noch keine Produkte auf dem Markt gibt, lässt sich schwer sagen, wie die typischen Ausgangsleistungen aussehen werden. Quick Charge 2.0 könnte theoretisch 60 W über einen USB B-Anschluss unterstützen, aber die maximale Leistung für USB-Ladegeräte für Smartphones wurde von den Herstellern auf 18 W begrenzt (typischerweise eine 9 V/2 A-Ausgangsleistung). Quick Charge 3.0 USB Ladegeräte werden wahrscheinlich auf einem ähnlichen Niveau arbeiten.
Der Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus
Während Verbesserungen von Ladeeffizienz und Ladegeschwindigkeit während eines 30-minütigen Ladevorgangs natürlich willkommen sind, kann das volle Akkuaufladen bei mobilen Geräten mit Quick Charge 3.0 immer noch bis zu 90 Minuten dauern. Der Grund dafür ist, dass Lithium-Ionen-Akkus in zwei Phasen geladen werden müssen. Die erste kann mit einer konstanten Stromquelle relativ schnell erfolgen, wenn aber der Akku eine Spannung von etwa 4,1 V erreicht (die Spannungsschwelle), muss das Ladesystem den Strom progressiv herunterfahren, um eine konstante Spannung zu halten und die Zelle komplett aufzuladen. Wenn nach Erreichen der 4,1 V ein zu hoher Strom beibehalten wird, kann es zu Schäden kommen.
Die Quick Charge-Technologie für das Laden von Lithium-Ionen-Akkus kommt voll zum Zug während der Phase mit konstantem Strom, hier kann mit höherer Adapterleistung beschleunigt werden. Wenn aber die Spannungsschwelle erreicht wurde, schaltet der Ladeprozess in einen Modus, der von den Eigenschaften des Akkus vorgegeben wird und kann daher nicht schneller sein, als bei konventionellen Systemen.
Die Beschleunigung des Ladevorgangs bei konstanter Stromstärke hat einen Nachteil: Je schneller geladen wird, desto niedriger ist die Kapazität der des Akkus, wenn die Spannungsschwelle erreicht wird. Dies verlängert die Dauer der (erheblich langsameren) zweiten Ladephase mit konstanter Spannung bis zum Abschluss des Ladeprozesses. Wenn zum Beispiel ein Akku mit einer Stromstärke geladen wird, die etwa 70 % des Werts entspricht, die eine Zelle für eine Stunde bereitstellen kann (also ungefähr 2,3 A für eine Einheit von 3.300 mAh), bedeutet dies eine Kapazität von 60 %, wenn in den langsameren Modus mit konstanter Spannung umgeschaltet wird. Die Verlangsamung auf einen Ladestrom, der 20 % der einstündigen Stromkapazität der Zelle entspricht, bedeutet einen voll aufgeladenen Akku etwa zu dem Zeitpunkt, bei dem die Spannungsschwelle erreicht wird. Da die meisten Verbraucher viel Leistung so schnell wie möglich wollen, lohnt sich dieser Kompromiss, den die Designer von Quick Charge mit eingeplant haben.
Der andere Nachteil, der die Schnellladung belastet, ist altbekannte Überzeugung, dass sie den Akku beeinträchtigt (vor allem durch die Erzeugung höherer Temperaturen) und seine Lebensdauer verkürzt. Was Quick Charge betrifft, entscheidet der Smartphone-Hersteller letztendlich über den maximalen Strom, dem sein Akku ausgesetzt wird. Gestützt auf die Zahlen der Garantierückläufe fehlerhafter Akkus sind diese Hersteller gewiss in der Lage, Kompromisslösungen zwischen Ladegeschwindigkeit und Akkulebensdauer zu finden. Bei den laufenden Verbesserungen der Akkutechnologie und den folglich robusteren Geräten in Verbindung mit der durchschnittlichen Smartphone-Lebensdauer von zwei Jahren müsste man schon ein sehr aggressives Laderegime einsetzen, um innerhalb eines normalen Garantiezeitraums Akkuausfälle zu verursachen.
Außerdem scheint es wahrscheinlich, dass es mit dem von gewissenhaften Smartphone-Usern bevorzugten systematischen Entladen-und-über-Nacht-langsam-wieder-aufladen-Schema doch nicht so weit her ist. Wenn ein Ladegerät abgezogen wird, sobald der Akku voll ist, ist dies der richtige Weg, aber wer steht deswegen schon nachts um 3 Uhr auf? In der Praxis bleibt das Ladegerät angeschlossen und schaltet auf ein Erhaltungsladen des Akkus um, da sich die Spannung über Nacht verändert - was den Akku langfristig zusätzlich belastet.
So können sich vielleicht die weniger disziplinierten unter uns über den glücklichen Zufall freuen, die beste Methode für die Lebensverlängerung ihres Geräteakkus gefunden zu haben. Häufige 30minütige Schnellladungen teilweise entladener Geräte könnten sich als besser für einen Lithium-Ionen-Akku erweisen, als der verlängerte „Stress” einer immer wiederkehrenden nächtlichen Aufladung. Das ist gewiss Musik für die Ohren von Qualcomm-Ingenieuren.