TL;DR: Я ранее установил Mobian (Linux-дистрибутив, на основе Debian) на смартфон OnePlus 6. Теперь разбираюсь с потенциальным возгоранием батареи. Определил основной источник рисков. Решил защитить батарею от перезаряда, разряда и перегрева. Реализовал сервис для systemd, который реализует эту защиту на уровне управления драйвером зарядки устройства, на основе данных с батареи. Репозиторий.

Для начала представлюсь – я Деревянкин Павел, менеджер продукта электронных визиток MyQRcards, в прошлом мобильный разработчик в этом же продукте.

В комментариях к предыдущей статье, где я рассказывал, как устанавливал Mobian на OnePlus 6, чтобы сделать из него домашний сервер, подняли вопрос возможности взрыва батареи на устройстве.

Первая мысль, которая меня посетила, было отключить батарею вовсе, припаять диод и питаться только от внешнего источника питания. Но это убивает один из плюсов сервера на телефоне - по сути встроенного ИБП. Учитывая, что в телефон на Mobian вполне можно вставить SIM-карту и использовать интернет с неё, то можно построить довольно защищённую от перебоев систему, которая по стабильности уже начнёт спорить с гораздо более дорогими решениями. Поэтому всё же, я решил разобраться, что можно сделать, чтобы защитить аккумулятор.

Скажу честно, когда я только установил Mobian, я вообще не думал об этой проблеме. Но после комментариев, решил озаботиться этим вопросом и как-то разобраться и в механике процесса, и в возможных решениях проблемы.

Почему батареи горят?

Для начала изучим вопрос с технической точки зрения. Почему может взорваться батарея?

Небольшой, очень простой ликбез

На самом деле, для ответа на этот вопрос придётся для начала начать с упрощённого разбора устройства самой батареи. Более подробно об этом можно почитать в тематических статьях. Но базово есть анод (отрицательно заряженный электрод), катод (положительно заряженный электрод), электролит и сепаратор.

Электроны из Анода (-) должны попасть в Катод (+). Но сделать это напрямую внутри аккумулятора они не могут, так как между анодом и катодом находится пористый сепаратор, пропитанный электролитом, который и пропускает через себя положительный заряд. Сепаратор отделяет положительно заряженную часть от отрицательно заряженной, чтобы не возникло короткого замыкания, которое, собственно, и может привести к возгоранию батареи.

Один из самых частых сценариев возгорания выглядит примерно так: при перегреве батареи повреждается сепаратор, возникает короткое замыкание, которое ещё больше разгоняет нагрев и закипает электролит.

Второй негативный фактор, который может привести к разрушению батареи - это образование дендритов. При перезаряде или быстрой зарядке литий осаждается на аноде в виде «иголок», прорастающих сквозь сепаратор. Сначала они дают локальные короткие замыкания, которые по тому же принципу дают нагрев, ускорение реакций в батарее и постепенное разрушение. Это не мгновенный пробой, а постепенная деградация с накоплением риска возгорания.

Третий вариант - при напряжении выше нормы: электролит окисляется на катоде, анод может насыщаться литием сверх меры, растёт давление, температура и шанс разрушения батареи

Вообще со временем (особенно при перегреве) батарея деградирует. Что происходит? Постепенно происходит разложение электродов с выделением сопутствующих веществ, которые могут ускорить горение или разогнать другие процессы разрушения. И, конечно, деградирует сам электролит, попутно выделяя газ, который и приводит к вздутию батареи.

Конечно, говоря про разрушение и горение батареи нельзя исключить и влияние механического воздействия. При браке, ударе или изгибе батарея может разрушиться и загореться, даже никакой деградации внутри не было.

В общем, путей, которые могут привести к возгоранию много. Но все они сводятся к пяти основным внешним факторам, которые повышают вероятность любого из сценариев:

1. Возраст, а именно, количество циклов заряда/разряда (к сожалению, любая батарея при использовании даже в самых безопасных условиях, всё равно будет постепенно деградировать)

2. Перегрев (ускорение вообще всех негативных процессов внутри батареи)

3. Перезаряд (ускорение деградации катода)

4. Глубокий разряд (ускорение деградации, в первую очередь анода)

5. Механическое воздействие

Если бы была возможность убрать все эти факторы, батарея бы работала вечно. Но, к сожалению, ничего вечного не существует, однако 4 из 5 факторов вполне себе поддаются контролю и могут быть "убраны из уравнения". Возраст победить не удастся, но батарею поменять в устройстве гораздо проще, чем многие другие комплектующие.

Что же можно сделать?

Для начала разберёмся с самым простым - механическим воздействием. Я планирую использовать сервер на Mobian в стационарном формате и после окончательной настройки положить его где-то в районе роутеров и оставить там лежать без всяких внешних воздействий, пусть пылится. То есть механическое воздействие исключается сразу

Перегрев - самый сильный и опасный фактор. Для его контроля в батарею встроен специальный датчик, который позволяет посмотреть температуру аккумулятора в режиме онлайн. Соответственно, эти данные доступны к получению программно.

Перезаряд и разряд - в современных телефонах практически исключены BMS-контроллерами (BMS - Battery Management System), но крайние значения заряда всё же раздвинуты довольно широко, чтобы батареи могли работать дольше чем несколько часов. Поэтому, если бы была возможность держать телефон всегда заряженным в пределах 40-80% заряда, это бы практически исключило данный фактор.

Соответственно, ответ напрашивается сам собой. Необходимо какое-то решение, которое бы держало батарею заряженной в пределах 40-80% и при этом не допускало бы перегрева выше 45 градусов по Цельсию.

Данное решение не исключит возможность возгорания батареи и не остановит деградацию. Но сведёт их к возможному минимуму, который будет сравним или даже ниже, чем у повседневно используемых устройств, которые заряжаются быстрыми зарядками и нередко часами лежат подключенными на 100%.

Конкретно мной было придумано три основных подхода:

1. Балансировать питание в режиме online, чтобы батарея держалась в заданном диапазоне, а основное потребление шло по проводу. Но я быстро понял, что это необоснованно сложное решение, которое, скорее, может оказаться даже хуже, более простых

2. Управлять питанием на уровне телефона, ограничивая зарядку через драйвера в пределах 40-80% заряда с одновременным контролем температуры для защиты от перегрева.

3. То же самое, что пункт 2, но управлять не драйверами телефона, а умной розеткой, которая будет физически размыкать соединение.

В конце концов я остановился на втором варианте. Как показала практика, он имеет пару проблем, но всё же достаточен для создания условий питания батареи. Но всё же я его реализовал. Ссылка на репозиторий - https://github.com/FA72/battery-limiter.

Реализация программной защиты

Основной цикл управления выглядит так. Раз в 5 минут происходит проверка состояния батареи. Проверяются заряд батареи, её температура и статус заряжается она или разряжается. При этом статус зарядки/разрядки определяется именно по фактическому получению заряда батареей, а не состоянию драйвера. Так, если заряда, выдаваемого драйвером, будет не хватать, будет считаться, что батарея разряжается.

Если устройство заряжается, оно может заряжаться до 80%, как только заряд равен или выше 80%, мы пытаемся передать драйверу сигнал о том, что ему нужно переставать подавать заряд батарее. Это аппаратно выключает зарядку, и батарея переходит в режим разряда. Если устройство разряжается, то, как только заряд равен или ниже 40%, мы для начала пытаемся пробудить драйвер и затем выставить минимальное, но достаточное питание, чтобы устройство не садилось дальше. Это делается циклическим подбором зарядки в диапазоне 500 - 1000 милливольт. Если питания в 1000 милливольт недостаточно, я возвращаю управление драйверу (питание у меня идёт от 10-Ваттной качественной зарядки, поэтому перегрева или быстрой зарядки из-за этого не произойдёт в любом случае).

На всякий случай всё же реализована защита от перегрева. На случай, если всё же что-то пойдёт не так. Если температура достигает на очередной проверке 45 градусов, то это приводит к остановке заряда и не допускает запуска заряда, даже если заряд опустился ниже 40%. При этом восстановление работы стандартного цикла происходит только после того, как температура опустится до 40 градусов.

Основные минусы такого формата - это отсутствие контроля фактического наличия питания от провода, так как драйвер зарядки при внешнем управлении питанием не умеет определять, есть ли фактическое подключение. К тому же нет никакой сигнализации о перегреве. Логично, что можно добавить дополнительные защиты, которые будут, например, выключать устройство при ещё большем перегреве или хотя бы сигнализировать об этом куда-то. Но в данном случае эта задача не решалась (потому что я в целом сделал отдельную систему мониторинга для данного сервера и контроль температуры настроен там, а в последующем планируется добавить сигнализацию на краевые случаи, типа полного разряда или тотального перегрева).

[Unit]
Description=Battery charge limiter (40%%-80%%)
After=multi-user.target

[Service]
Type=simple
EnvironmentFile=-/etc/default/battery-limiter
Environment=STOP_CURRENT_MAX=4800000
ExecStart=/usr/local/bin/battery-limiter.sh
# Return full driver control on stop so phone doesn't stay limited
ExecStopPost=/bin/sh -c 'path="${CHARGER_CURRENT_MAX_PATH:-${SYS_CMAX:-}}"; if [ -z "$path" ]; then for candidate in /sys/class/power_supply/*/current_max; do [ -e "$candidate" ] || continue; path="$candidate"; break; done; fi; [ -n "$path" ] && echo "${STOP_CURRENT_MAX:-4800000}" > "$path" || true'
Restart=always
RestartSec=10
StandardOutput=journal
StandardError=journal

[Install]
WantedBy=multi-user.target

# --- Sysfs paths ---
BATTERY_GAUGE_BASE_PATH="${BATTERY_GAUGE_BASE_PATH:-}"
SYS_CAP="${SYS_CAP:-}"
SYS_TEMP="${SYS_TEMP:-}"
SYS_BQST="${SYS_BQST:-}"
SYS_CUR="${SYS_CUR:-}"
SYS_CMAX="${SYS_CMAX:-${CHARGER_CURRENT_MAX_PATH:-}}"

Что в итоге?

А в итоге мы получаем сервис, который на уровне устройства управляет питанием батареи и таким образом значительно снижает вероятность её быстрой деградации и уж тем более возгорания. Это не значит, что я на всегда закрыл вопрос с батареей. Её всё ещё нужно инспектировать на вздутие хотя бы раз в пару месяцев. Но основные критические риски были обработаны и риск пожара из-за этого устройства теперь мной оценивается не выше, чем риск возгорания обычного смартфона. А главное, теперь, если старая батарея всё же вздуется, при замене на новую, она сможет проходить довольно длительный срок в самых щадящих для неё режимах, что может составлять несколько лет. Ну как у любого смартфона.