Come funziona la ricarica rapida

Se siete in cerca di uno smartphone o amate seguire recensioni e notizie, saprete sicuramente che la ricarica rapida è una delle caratteristiche più importanti. 

Capita infatti di vedere nelle schede tecniche numeri come 45W, 80W o 120W, che indicano la possibilità di portare più energia alle batterie nel minor tempo possibile. Questo perché è il modo più ovvio per superare i loro limiti fisici: quello che non si ottiene in autonomia, si ottiene permettendo una ricarica in pochi minuti, e i produttori di smartphone hanno sviluppato tecnologie che arrivano fino a ben 240W.

Ma cosa significa esattamente questo, cos'è e come funziona la ricarica rapida? Andiamo a scoprirlo, vedendo i vari standard, come usarla e se danneggia realmente le batterie dei nostri amati cellulari.

• Cos'è la ricarica rapida
  • Come funzionano le batterie
  • La ricarica rapida
• Come funziona la ricarica rapida
• Gli standard universali per la ricarica rapida
  • USB-PD
  • USB-PD PPS
• Gli standard proprietari per la ricarica rapida
  • Qualcomm
  • Samsung
  • Xiaomi
  • OPPO, Realme e OnePlus
  • Huawei
  • Apple
• La ricarica rapida danneggia le batterie?
• Come scegliere un caricatore

Oggi ogni smartphone ha un numero che indica la sua velocità di ricarica (ecco i 10 più veloci sul mercato in questo senso), ma prima di capire come funziona la ricarica rapida, dobbiamo capire cosa sia.

Le batterie degli smartphone (ecco i migliori power bank) sono agli ioni di litio, ovvero sono batterie particolari ad alta densità, che funzionano in maniera leggermente diversa da quelle alcaline. Vediamo perché.

Come funzionano le batterie

In generale una batteria, che è costituita da due elettrodi separati da un elettrolita, immagazzina energia chimica che viene convertita in energia elettrica quando un dispositivo, come una lampadina, è collegata tra il suo elettrodo negativo, o anodo, e il suo elettrodo positivo, il catodo.

Il collegamento causa il flusso di elettroni dall'anodo al catodo, un fenomeno che conoscerete sotto il nome di corrente elettrica e che si misura in ampere (A), mentre l'elettrolita fornisce il percorso per il trasferimento di ioni caricati positivamente per bilanciare il flusso negativo.

Per fluire, gli elettroni devono provenire da qualche parte, e infatti all'anodo l'elettrodo reagisce con l'elettrolita in una reazione che produce elettroni, che ivi si accumulano, mentre al catodo si verifica simultaneamente un'altra reazione chimica che consente a quell'elettrodo di accettare elettroni.

Quindi quando carichiamo una batteria usiamo l'energia elettrica per invertire la reazione chimica vista sopra in modo da riportare all'anodo sia le cariche positive disperse nell'elettrolita che gli elettroni arrivati al catodo.

La velocità del flusso di corrente dipende dalla differenza tra l'energia immagazzinata negli elettrodi, chiamata Differenza di potenziale o tensione, che ovviamente varia durante l'utilizzo e che si esprime in volt (V).

Ora batterie alcaline si caricano a velocità costante, ma questo non avviene con le batterie agli ioni di litio (Li-ion), quelle usate dai dispositivi moderni, dove invece si possono distinguere tre fasi separate, che prevedono una fase iniziale a corrente costante e una finale a tensione costante:

• Corrente costante. Quando si collega il telefono a un caricabatterie, la tensione della batteria aumenta istantaneamente per poi aumentare a un ritmo più lento, mentre il flusso di corrente rimane costante. Questa è la quantità massima di corrente che una batteria può contenere in qualsiasi momento.
• Saturazione. Visto che le batterie agli ioni di litio sono sensibili all'alta tensione, quando una batteria in carica tende verso la sua tensione di picco consigliata, il flusso di corrente si riduce e la tensione aumenta a un ritmo non costante ma comunque lento.
• Topping. Quando la batteria raggiunge il suo valore di picco, la tensione smette di aumentare mentre la corrente continua a diminuire man mano che la batteria raggiunge la sua piena capacità. Una batteria è completamente carica quando la corrente smette finalmente di fluire.

La ricarica rapida

Ok ma che c'entra la ricarica rapida? Ci siamo quasi.

Visto che le batterie agli ioni di litio possono danneggiarsi a causa dell'alta tensione, i produttori in genere puntano su velocità di trasferimento di corrente elevate per caricare rapidamente le batterie. La ricarica rapida mira a massimizzare l'utilità della fase di flusso di corrente costante in modo che la massima carica possa essere trasferita alla batteria prima che la tensione raggiunga il suo valore di picco. 

In sostanza, la chiave è bilanciare flusso di corrente e tensione.

I circuiti all'interno dei nuovi smartphone limitano tensione e flusso di corrente per assicurare che la temperatura della batteria sia mantenuta al di sotto del livello consentito e quindi che la salute della batteria sia preservata.

Nonostante le limitazioni che le batterie agli ioni di litio hanno a causa della tensione, i caricatori con supporto di uscita ad alta potenza impiegano una combinazione di alta tensione e bassa corrente, mentre i circuiti all'interno degli smartphone aumentano la corrente e abbassano la tensione (convertitori buck).

Questo consente di utilizzare valori di corrente elevati fino a 20 A - o anche superiori - per caricare una batteria agli ioni di litio con una tensione tipica di 4,2 V.

Confusi? Siamo arrivati al punto. Nella ricarica rapida, il funzionamento è lo stesso, con una fase di corrente costante e di saturazione durante le quali la batteria si carica molto velocemente, e una fase di topping durante la quale rallenta. Ed è per questo che in genere i produttori di smartphone pubblicizzano una capacità di ricarica del 60% in 20 minuti, perché parlano della fase di ricarica più rapida. 

Ora perché quando parliamo di ricarica vediamo dei numeri seguiti da una W? Perché la capacità di ricarica è indicata come la massima potenza supportata da uno smartphone, e rappresenta la quantità di corrente trasmessa da un caricabatterie e accettata da un telefono a una determinata tensione.

Questa potenza si definisce in watt (W), che è quindi il prodotto della tensione V e della corrente A.

Per ricarica rapida si intende quando uno smartphone può ricevere energia da un caricatore a una velocità superiore alla velocità minima supportata dagli standard USB, che sono 15 W per lo standard USB-C.

Ok ora abbiamo capito cos'è la ricarica rapida e abbiamo anche avuto un'infarinatura su come funziona. Approfondiamo questo punto gettando uno sguardo al grafico che abbiamo visto sopra. 

La ricarica rapida funziona sfruttando la fase di corrente costante pompando quanta più corrente possibile nella batteria prima che raggiunga la sua tensione di picco. Pertanto, le tecnologie di ricarica rapida sono più efficaci quando la batteria è carica per meno del 50%, ma hanno un impatto minore sul tempo di ricarica una volta che la batteria supera l'80%.

Nel complesso, si definisce un'unità chiamata C-rate (Charge rate) per misurare la velocità alla quale una batteria è completamente carica o scarica.

1C corrisponde alla carica dallo 0 al 100% in un'ora.

Come vedremo più avanti, la carica a corrente costante è il periodo meno dannoso per la salute a lungo termine della batteria, mentre una tensione costante più elevata, insieme al calore, rappresentano i pericoli maggiori.

Esistono numerose tecniche utilizzate dai produttori per aumentare le attuali capacità di gestione delle batterie e migliorare i tempi di ricarica.

• Aumentare il C-rate e usare nuovi materiali per resistere a correnti e temperature più elevate 
• Batterie con strati multi anodo e catodo per abbassare la resistenza interna e aumentarne la corrente.
• Batterie a doppia cella per dividere la corrente su due batterie in parallelo e dare l'impressione di una ricarica più rapida.

L'ottimizzazione dei tempi di ricarica della batteria è influenzata anche da algoritmi sullo smartphone che ottimizzano l'erogazione di energia da parte dei caricatori, ed è qui che entrano in gioco i vari standard.

Abbiamo capito cos'è la ricarica rapida, ma non penserete che sia così semplice, vero? Negli anni sono stati sviluppati diversi standard, universali e proprietari, per regolamentare il settore, proprio come avviene per le porte USB, che ovviamente vengono usate come mezzo per il passaggio di corrente. 

USB Power Delivery (USB PD)

USB Power Delivery (USB PD) è la specifica ufficiale di ricarica rapida pubblicata dall'USB Implementers Forum (USB-IF) nel 2012. Dal 2020, USB PD è diventato lo standard di ricarica più comunemente supportato nel settore degli smartphone, anche se come vedremo ce ne sono molti proprietari più veloci. 

USB PD implementa un protocollo dati per comunicare tra il caricabatterie e il telefono, che negozia la massima erogazione di potenza tollerabile sia per il caricabatterie che per il telefono. Quando infatti colleghiamo un caricabatterie USB-PD a un dispositivo, questo trasmette dei dati con i valori delle specifiche di corrente e tensione supportate.

Questa trasmissione è nota come Power Data Objects (PDO). In cambio, il dispositivo risponde con i valori che supporta, e questo è noto come Request Data Object (RDO). Il valore di corrispondenza più alto per la tensione supportato da entrambe le parti viene scelto per la trasmissione di energia elettrica e se c'è una mancata corrispondenza, vengono modificati i dati fino a quando non viene raggiunto un valore comune. Questa interazione gioca un ruolo cruciale nel determinare la velocità massima di ricarica.

Se ad esempio un caricabatterie USB-PD supporta valori come 5V, 9V, 15V o 20V per la tensione e lo smartphone supporta solo 5V e 9V, allora la ricarica avverrà a 9V con la corrente massima supportata corrispondente a 9V. L'USB PD determina i valori di potenze da un minimo di 0,5 W fino a 100 W e qui sotto possiamo vedere uno schema dello standard. 

Come si può vedere, gli smartphone in genere utilizzano circa 18-25 W di potenza per la ricarica con USB PD, e lo standard supporta anche l'alimentazione bidirezionale, consentendo al telefono di caricare altre periferiche.

Esempi di smartphone che utilizzano USB PD sono iPhone 14 e Google Pixel 7.

USB-PD PPS

Aggiungiamo ora un altro livello di complessità. Abbiamo visto come lo standard USB-PD funzioni solo in valori di tensione designati, il che è piuttosto limitante. Ecco quindi che uno standard più recente consente una negoziazione più dinamica della tensione tra sorgente e dispositivo.

Nel 2017, l'USB-IF ha introdotto lo standard USB-PD PPS (Programmable Power Supply) alle specifiche USB-PD 3.0. Mentre le specifiche precedenti supportavano solo incrementi di tensione standard di circa 5 V, PPS consente variazioni molto più piccole sia nella corrente (passi di 50 mA) sia nella tensione di alimentazione (20 mV).

Questo tipo di microcontrollo consente alla tensione di diminuire e alla corrente di aumentare in modo più efficiente e, quindi, riduce la perdita di energia sotto forma di dissipazione del calore. Allo stesso tempo, PPS consente un aumento graduale della tensione durante la fase di alimentazione a corrente costante, come si può vedere dal grafico sottostante.

La serie Samsung Galaxy S22 è un esempio di telefono a ricarica rapida che utilizza USB-PD PPS, ma questi metodi di ricarica standardizzati evidentemente non sono sembrati sufficienti ai produttori di smartphone, che hanno creato i loro. Vediamo quali sono.

Il problema degli standard universali è che evolvono più lentamente degli standard proprietari a causa del ritardo nello stabilire protocolli.

Se guardiamo agli smartphone, USB-PD e PPS sono limitati a 45W di potenza, niente in confronto a marchi cinesi in grado di proporre ricariche che superano abbondantemente i 100W. Vediamo le soluzioni proprietarie più popolari.

Qualcomm

La ricarica rapida di Qualcomm è alla quinta generazione ed è una delle soluzioni più popolari adottate dai produttori di smartphone, sebbene meno dell'USB-PD. Introdotta nel 2020, Qualcomm Quick Charge 5.0 offre una potenza in uscita di più di 100W, ed è retrocompatibile con le precedenti versioni e cross-compatibile con gli standard USB-PD e PPS.

Con tensioni operative incrementali fino a 20 V, da 3 A a 5 A di corrente, Quick Charge 5 assomiglia molto alle capacità di ricarica rapida di USB PD PPS, oltre a essere dotata di funzionalità di identificazione del caricabatterie e di protocolli di protezione di tensione, corrente e termica.

Il nuovo standard supporta inoltra la doppia ricarica della batteria alle massime velocità riducendo al minimo il riscaldamento, ma per fare questo il telefono deve essere dotato di batteria suddivisa in due celle. Xiaomi Mi 10 Ultra è stato il primo smartphone a supportare questo standard.

Samsung

La tecnologia Adaptive Fast Charging di Samsung è simile alla Quick Charge di Qualcomm, ovvero si basa su alta tensione e valori di corrente moderati.

Samsung è passata dal suo primo protocollo di ricarica rapida adattiva a 18 W a quella da 25 W (11 V, 2,25 A) nel 2019, che è stato battezzato Samsung Super Fast Charging, che permetteva di caricare al 65% una batteria da 4.500 mAh in un'ora.

Non proprio rapidissima.

Questa era basata sullo standard USB-PD, mentre l'evoluzione successiva, la Super Fast Charging 2.0 da 45 W (10 V, 4,5 A) introdotta sulla serie Galaxy S21, è basata su USB-PD PPS.

Questa situazione ha ricevuto un'accelerazione quando Apple ha rimosso il caricatore dalle confezioni. Nonostante lo standard più lento dell'USB-IF, che ha portato alcuni produttori a sviluppare soluzioni proprietarie, produttori Android come Samsung e Xiaomi hanno seguito l'esempio della mela e hanno rimosso i caricatori dalle confezioni, il che ha consentito ai consumatori di utilizzare caricatori USB-PD PPS per tutti i dispositivi.

Se infatti prima i caricatori USB-PD avevano delle limitazioni (per esempio su Galaxy S21 un caricatore da 25 W USB-PD carica solo a 18 W), ora lo standard USB-PD 3.0 PPS sembra aver messo tutti d'accordo.

Xiaomi

Anche Xiaomi ha la propria tecnologia di ricarica rapida. Fino a poco fa si affidava alla tecnologia Quick Charge di Qualcomm, ma nel 2019 ha presentato la sua ricarica superveloce da 100W.

Nel 2020 il gigante cinese ha presentato il suo Xiaomi 10 Ultra con ricarica Quick Charge 5.0 da 120 W, ma da lì in poi abbiamo visto un aumento esponenziale. Nel 2021 è stato presentato Xiaomi 11T Pro con una ricarica da 120 W (la più veloce dell'epoca), e Redmi Note 12 Explorer supporta la ricarica da ben 210 W, che gli permette di ricaricarsi al 100% in 9 minuti.

OPPO, Realme e OnePlus

OPPO è uno dei pionieri della ricarica rapida. Già nel 2014 era arrivata sul mercato la tecnologia VOOC (Voltage Open Loop Multi-step Constant-Current Ricarica), che consentiva di caricare i 2.800 mAh della batteria di OPPO Find 7 da 0% al 75% in 35 minuti. 

Lo standard VOOC si basa su un valore di corrente più elevato mantenendo la tensione vicina alla tensione della batteria. Questo elimina la necessità di abbassare la tensione, prevenendo il surriscaldamento.

VOOC 2.0 ha portato la ricarica a 20 W, ed è arrivata sui dispositivi OnePlus come Dash Charge (poi diventato Fast Charge per problemi di marchio), e successivamente sui Realme.

Nel 2016 è arrivata la tecnologia SuperVOOC, che ha portato la potenza a 50 W, mentre nel 2019 abbiamo salutato la VOOC 3.0 e poi VOOC 4.0, con potenze a 20 e 30 W. 

Nel 2020 è stato il momento di SuperVOOC 2.0, con potenze a 65 W, che su Realme è stata chiamata SuperDart e su OnePlus Warp Charge 65.

Negli ultimi due anni, poi, c'è stato un incremento esponenziale. È arrivata la ricarica da 125 W con il nuovo caricabatterie GaN (nitruro di gallio, più efficiente del silicio) da 110 W, che poteva caricare completamente una batteria da 4.000 mAh in 20 minuti. 

Da allora, anche Realme e OnePlus hanno adottato la dicitura SuperVOOC e nel 2022 è stata presentata la ricarica da 240 W (che dovrebbe debuttare a breve), mentre i dispositivi in commercio attualmente si fermano a "soli" 160 W, come OnePlus 10T.

Huawei

Huawei ha introdotto la sua tecnologia SuperCharge, che come quella di OPPO utilizzava una corrente più elevata, nel 2017 con il Mate 10 e arrivava a 22,5 W (5 V, 4,5 A).

Negli anni successivi Huawei ha portato questa potenza a 40 W (10 V, 4 A), che è successivamente arrivata anche su Honor.

Nel 2020 è arrivata la ricarica a 66 W (11 V, 6 A), che abbiamo visto anche nel Mate 50 Pro.

Apple

Apple ha introdotto la ricarica rapida a 18 W con iPhone 8, che troviamo anche nei dispositivi attuali a parte iPhone 11 Pro Max, iPhone 12 Pro Max, iPhone 13 Pro Max, iPhone 14 Pro e iPhone 14 Pro Max, che supportano una ricarica fino a 27 W.

Apple non ha più inserito il caricatore nelle sue confezioni di vendita da iPhone 12 e per avere accesso alla carica più rapida, dovete utilizzare un caricatore compatibile con USB-PD o uno per MacBook.

Una delle domande più comuni è se la ricarica rapida danneggia le batterie. Come abbiamo visto, due cose danneggiano le batterie al litio, la tensione e la temperatura elevata. 

Ecco perché i sistemi di ricarica rapida si sforzano di ridurre il calore il più possibile aumentando la potenza e giocando con la corrente, in modo da permettere alle batterie di assorbire quanta più potenza possibile nella prima fase di carica, quando la capacità della batteria è bassa, come abbiamo visto nel grafico sull'andamento della carica.

Quando la capacità della batteria raggiunge quel livello indicato, le velocità di ricarica vengono ridotte per evitare stress e calore che possono danneggiare la longevità della batteria, e infatti gli smartphone si caricano più velocemente fino a una certa percentuale ma impiegano più tempo per arrivare al 100%.

Inoltre il telefono potrebbe disattivare automaticamente la ricarica rapida se la temperatura del dispositivo supera un certo livello. Un altro stratagemma usato dai produttori è usare due batterie, che condividono l'elevato carico di ingresso durante la fase di ricarica rapida, prevenendo così i danni. Infine ci sono i controlli software, che evitano il danneggiamento della batteria da un'elevata carica di ingresso, o interrompono la carica in base alle abitudini dell'utente, come l'ottimizzazione attuata da Apple.

Per concludere, la ricarica rapida non avrà un impatto sostanziale sulla vita della batteria, ma questo non vuol dire che la batteria duri all'infinito.

Come ogni componente, infatti, si degrada nel tempo, e questo può essere influenzato da fattori come la temperatura o se è stata scaricata troppo spesso. Apple per esempio riporta che una batteria normale è progettata per mantenere fino all'80% della sua capacità originale a 500 cicli di carica completi quando funziona in condizioni normali.

Se il vostro telefono supporta la ricarica rapida ma non è dotato di caricatore, per scegliere quello giusto dovete sapere il massimo wattaggio di ricarica supportato, oltre che lo standard di ricarica rapida supportato.

Come abbiamo visto, diversi produttori di telefoni hanno i propri standard proprietari di ricarica rapida, come Vivo Super Flash Charge, Oppo VOOC/ SuperVOOC e Samsung Adaptive Charging.

Dopo aver individuato lo standard di ricarica rapida e il wattaggio massimo supportato dal telefono, dovete cercare un caricatore compatibile sul mercato.

È importante notare che alcuni standard di ricarica rapida sono compatibili anche con altri standard.

Ad esempio, anche Qualcomm Quick Charge 4/4+/5 è conforme a USB-PD, oppure Samsung Super Fast Charging è compatibile con USB-PD PSS. Nella maggior parte dei casi, è meglio rivolgersi ai caricabatterie consigliati dal produttore del vostro telefono.