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Wie schnell ist Schnellladen und ist es gut für den Akku?

Aufladen eines Smartphones, wir alle müssen uns damit auseinandersetzen
Aufladen eines Smartphones, wir alle müssen uns damit auseinandersetzen
Es wirkt fast so, als hätte jeder Hersteller eine eigene Ladetechnologie. Obwohl all diese Technologien auf denselben fundamentalen Prinzipien beruhen, funktionieren sie im Detail alle ein wenig anders und müssen nicht zwangsweise kompatibel zueinander sein.
Christopher Thomas, Andrea Grüblinger (übersetzt von Finn D. Boerne), 🇺🇸

Die Grundlagen des Batterieladens

Akkus bestehen zunächst einmal aus drei Komponenten: einer Anode, einer Kathode und einem dazwischenliegenden Elektrolyt. Anoden und Kathoden sind nichts anderes als die Anschlüsse an die im Inneren der Zelle gespeicherte Elektrizität. Das Elektrolyt besteht aus einer Lösung, die bei angelegter Spannung einen Überschuss an negativ geladenen Elektronen halten kann. Diese Teilchen sammeln sich an der Anode und wollen sich entladen, was geschieht sobald der Stromkreis geschlossen wird.

Ladesysteme bestehen also aus drei Kernkomponenten. Zunächst einmal ist da der Konverter, der im Allgemeinen (fälschlicherweise) als das Ladegerät bezeichnet wird. Seine Hauptaufgabe ist die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und jeder hat eine vordefinierte maximale Rate. Zweitens gibt es eine Ladeelektronik, deren Aufgabe es ist dynamisch Energie aus dem Konverter in die dritte Komponente, den Akkumulator, überzuführen. Die Ladeelektronik bestimmt die Art des Schnellladens, da sie mit dem Akku kommuniziert, um über fest einprogrammierte Informationen die Laderate zu bestimmen. Welcher Standard hierbei implementiert wird, steht jedem Hersteller frei und an dieser Stelle kommen die unterschiedlichen Fähigkeiten der Konverter ins Spiel. Wenn ein Gerät laut Programmierung nicht mehr als die im USB-2.0-Standard definierten Energie aufnehmen kann – 500 Milliampere bei 5 Volt – dann wird es auch nicht mehr aus dem Ladegerät ziehen können. Dank der Ohmschen Gesetze lässt sich leicht ausrechnen, dass dies einer Ladeleistung von 2,5 W entspricht. Ein modernes Smartphone mit dieser Leistung aufzuladen kann durchaus ganz schön lange dauern.

Der Weg von 0 % zu 100 % ist allerdings alles andere als linear. Eine Ladeelektronik ist darauf ausgelegt den Akku zunächst sehr schnell zu laden und mit steigendem Energiespeicherstand die Ladeleistung zu reduzieren. Deshalb dauern die letzten 15-20 % auch immer etwa genauso lange wie die ersten 75 %. Am effektivsten sind Schnellladetechniken also grob gesagt zwischen 0 % und 80 %.

Was ist schlecht für einen Akku und was ist halb so wild?

Austauschbare Akkus, eine Seltenheit heutzutage
Austauschbare Akkus, eine Seltenheit heutzutage

Seit vielen Jahren drehen regelmäßig Gerüchte und Mythen ihre Runden welche Einstellungen oder Handlungen einem Akku schaden oder ihn schlimmstenfalls sogar überhitzen oder ultimativ zum Explodieren bringen können. Glücklicherweise war die Wahrscheinlichkeit eines spontan explodierenden Smartphones, von Samsungs Galaxy-Note-7-Fiasko mal abgesehen, in der Vergangenheit dann doch eher bei null anzusiedeln. Es gibt aber trotzdem die eine oder andere Verhaltensweise, die sich auf sehr lange Zeiträume betrachtet schädlich auf einen Akku auswirken kann.

Fangen wir zunächst mal mit den Mythen und Unwahrheiten an. Es ist unmöglich ein Telefon zu „überladen“. Ist der Ladestand einmal bei 100 % angekommen stoppt die Ladeelektronik die Stromzufuhr und versorgt das Gerät nicht mit mehr Energie als für den laufenden Betrieb notwendig ist. Zweitens gibt es im Jahr 2020 keinen echten Grund mehr Lokalisierungsdienste wie GPS oder Bluetooth zu deaktivieren, um Strom zu sparen, da diese in den vergangenen Jahren so weit optimiert wurden, dass ihr Einfluss auf den Energieverbrauch signifikant reduziert werden konnte.

Auch hilft es nicht wirklich und kann sogar Energie kosten ständig Hintergrundanwendungen zu schließen, wenn sie nicht aktiv verwendet werden, insbesondere wenn man sie demnächst möglicherweise ohnehin wieder gedenkt zu starten. Das Schließen und Starten einer Anwendung benötigt mehr Energie als das simple Vorhalten im RAM und Reaktivieren bei Bedarf. Und zu guter Letzt ist es aus Sicht des Gesundheitszustands des Akkus auch egal ob man original Ladegeräte und Kabel des Telefonherstellers verwendet oder nicht. Lediglich einen Effekt auf die Ladegeschwindigkeit kann dies in manchen Fällen haben, da einige Protokolle mit einem Originalkabel unter Umständen besser funktionieren. Im Zweifelsfall senkt die Ladeelektronik den maximal verfügbaren Ladestrom auf Standardwerte, aber ein echtes Risiko beim Mischbetrieb namhafter Ladegeräte, Kabel und Smartphones gibt es nicht.

Welchen Unterschied macht es also ob man sich überhaupt mit dem Langzeitzustand des Akkus befasst oder nicht? Am deutlichsten macht sich dies bei der verfügbaren Kapazität bemerkbar, da diese im Laufe der Zeit durch unvermeidbare physikalische Prozesse bedingt abnimmt. Wir erinnern uns sicherlich noch alle an den Aufschrei, den Apples Drosselung von iPhones mit schwächelndem Akku ausgelöst hat. Apple scheint von dieser Taktik wieder Abstand genommen zu haben und hat allen Anwendern einen vergünstigten Akkutausch als Entschädigung angeboten. Der größte negative Effekt eines vernachlässigten Akkumanagements auf den Gesundheitszustand des Akkus der meisten, wenn nicht gar aller, heutzutage verfügbaren Elektrogeräte ist eine schneller abnehmende Akkukapazität.

Geht es um die Risikofaktoren mit Einfluss auf die Lebensdauer eines Akkus ist mit Sicherheit Hitze als Erstes zu benennen. So gut wie alle Elektronikkomponenten erzeugen Wärme und auch Akkus sind hier keine Ausnahme. Das Smartphone also nachts während des Ladevorgangs unter dem Kissen zu halten (ja, es soll tatsächlich Leute geben, die das tun) dürfte beispielsweise ein mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit schädliches Verhalten sein. Hinzu kommt, dass Lithium-Ionen-Zellen eine endliche Zahl an Ladezyklen haben. Diese Zahl ist zugegebenermaßen sehr hoch und Durchschnittsanwender dürften bei normaler Verwendung im üblichen Lebenszeitraum moderner Smartphones von ein bis drei Jahren niemals auch nur in deren Nähe kommen. Wer aber das Smartphone häufig für energieintensive Vorgänge, wie zum Beispiel als mobiler Hotspot oder zum Stream von Videos, verwendet, sollte sich ernsthaft überlegen es wenn möglich für diese Aktionen an eine externe Stromversorgung anzustecken, um den Energiebedarf aus der Steckdose oder einem portablen Akku zu decken.

Das hier wird ein Smartphone sicherlich nicht allzu lange mit Energie versorgen
Das hier wird ein Smartphone sicherlich nicht allzu lange mit Energie versorgen

Die möglicherweise schädlichste Auswirkung auf die langfristige Lebensdauer eines Akkus ist jedoch - völlig unabhängig von den Schnellladeraten - das sogenannte „extreme cycling“. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften ist eine Lithium-Ionen-Zelle zwischen 50 und 70 % Ladestand am stabilsten. Je weiter man sich von diesen Werten entfernt, desto schädlicher wird der Einfluss auf die Lebensdauer. Das heißt natürlich wiederum nicht, dass ein Ladezustand unter 30 % oder gar das gelegentliche vollständige Leerlaufen des Akkus tatsächlich einen spürbaren negativen Effekt haben wird. Dies ist nur dann der Fall, wenn dieses Verhalten zur Gewohnheit wird. Wer den Akku also regelmäßig mit Ladeständen von 20 % oder weniger betreibt darf sich nicht wundern, wenn dessen Kapazität schon nach einem Jahr spürbar nachgelassen hat.

Dasselbe gilt aber auch im Umkehrschluss. Wer den Akku ständig bei 100 % hält riskiert, dass 100 % heute nicht mehr dasselbe sind wie 100 % vor 18 Monaten. Wer zu denjenigen Technikjunkies gehört, die ihr Telefon jedes Jahr austauschen, um immer am Ball der Entwicklung zu bleiben, muss sich darüber keine allzu großen Gedanken machen. Da aber nicht alle Anwender zu dieser Gruppe gehören, sollte man diese Information im Hinterkopf behalten. Natürlich soll dies niemanden davon abhalten den Akku bei Bedarf vollständig aufzuladen, schließlich wäre es Verschwendung für etwas derart leistungsfähiges zu bezahlen, wenn man es nicht wirklich verwendet oder benötigt. Im Gegenzug darf man aber auch die Auswirkungen auf die Akkulaufzeit nicht außer Acht lassen, wenn man vor hat, die Investition maximal lange zu schützen und das Telefon so lange wie möglich im bestmöglichen Zustand zu bewahren.

Der richtige Schnellladestandard für euer mobiles Endgerät

Nachdem wir jetzt mit den allgemeinen Informationen durch sind, wird es Zeit sich näher mit der Hardware zu befassen, die für einen Schnellladevorgang benötigt wird. Wir möchten an dieser Stelle nochmals betonen, dass hier sehr viele Variablen im Spiel sind und einige Standards geräteübergreifend funktionieren, andere wiederum nicht. Und, um die Sache noch komplizierter zu machen, kann es durchaus passieren, dass selbst bei Kompatibilität zueinander ein Smartphone trotzdem mit dem Originalkonverter (aka Ladegerät) schneller lädt als mit einem kompatiblen Drittherstellerladegerät. Am wichtigsten ist es jedoch die ultrabilligen No-Name-Ladegeräte zu vermeiden, denn egal was das Marketing behauptet: Sicherheit geht immer vor. Daher empfehlen wir unbedingt zu einem Ladegerät eines namhaften Herstellers zu greifen.

USB Power Delivery

Standardisiert vom renommierten USB Implementers Forum ist USB Power Delivery, oder auch USB PD, in der Lage mit bis zu 100 W zu laden. Damit teilt es sich mit einem anderen Ladestandard den ersten Platz. USB PD ist insbesondere für High-End-Ultrabooks, 2-in-1-Geräte und weitere klassische Notebooks hervorragend geeignet. Wer ein Gerät besitzt, welches Laden via PD unterstützt, kann sich dank der strengen Standardisierungsvorgaben des USB-IF auf den Standard verlassen.

Das Protokoll ermöglicht eine bidirektionale Stromversorgung über einen einzelnen Port. Man kann also mittels eines USB-C-Hubs den eigenen Laptop laden, während derselbe Hub weitere Geräte mit Energie versorgen kann, sofern noch ausreichend Reserve vorhanden ist. Oder man kann die Geräte durch den USB-C-Port des Laptops oder Tablets mit Energie versorgen, was den Laptop faktisch in ein Multi-Port-Ladegerät verwandelt. Ein weiteres die Lebenszeit des Akkus verlängerndes Feature ist Flexible Power Draw, also die Fähigkeit, dass kompatible Endgeräte mit dem USB-Controller kommunizieren, um die optimale Ladeleistung, mittels der sicher und schnell geladen werden kann, auszuhandeln.

Schon der ursprüngliche USB-PD-Standard bot diese Flexibilität und Ladestärke, die folgenden Versionen 2.0 und 3.0 sind logischerweise abwärtskompatibel hierzu. An Neuerungen kamen nicht nur intelligenteres Laden für unterstützte Geräte hinzu (was zu schnelleren und anpassungsfähigeren Ladevorgängen führt) sondern auch deutlich mehr Metadaten, die Laptop und Tablet mit allen Geräten, die sie laden und durch die sie geladen werden, austauschen können. Solange das Gerät den neueren Standard unterstützt, kann es via PD 2.0 und 3.0 schneller geladen werden als durch das ursprüngliche Power-Delivery-Protokoll.

Beachtet werden muss außerdem, dass man speziell zertifizierte Kabel benötigt, um das Maximum rauszuholen. In den frühen Tagen von Power Delivery kam es gelegentlich sogar vor, dass minimale Inkompatibilitäten bei Verwendung des falschen Kabels zu Beschädigungen oder dem Totalausfall des Endgeräts geführt haben. Glücklicherweise wurde dieses Problem in den vergangenen Jahren aber vollständig beseitigt. Solange man darauf achtet, ein Ladegerät und Kabel eines namhaften und renommierten Herstellers zu nehmen, sollte ein zertifiziertes USB-PD-Setup die Stromversorgung des Laptops und Tablets für lange Zeit zuverlässig sicherstellen.

Was ist an Power Delivery also so besonders? Abgesehen davon, dass man nicht für Ultrabooks ein separates Ladegerät benötigt, ist es der Standard der Wahl vieler moderner Smartphones wie neuer iPhones, Googles Pixel, sowie einer Vielzahl an Mobilgeräten mit Snapdragon SoCs. Wer häufig Endgeräte verschiedenster Hersteller einsetzt hat mit USB PD die höchsten Chancen es mit möglichst allen Geräten verwenden zu können, selbst wenn einige davon mit anderen Techniken noch einen Ticken schneller laden könnten.

Qualcomm Quick Charge

Immer mehr mobile Powerbanks bieten Unterstützung für einen oder mehrere Schnelllade-Standards
Immer mehr mobile Powerbanks bieten Unterstützung für einen oder mehrere Schnelllade-Standards

Dadurch, dass Qualcomm der Hersteller hinter den Snapdragon-SoC ist, die mehr Umsatz generieren als jeder andere SoC am Markt, ist Qualcomm QC einer der am weitesten verbreiteten Standards. Schon die initiale Spezifikation bot wie ihre Nachfolger 1.0 und 2.0 Ladestärken von 10 W, 18 W und 36 W. Mit Quick Charge 4 und 4+ steigt dieser Wert auf bis zu 100 W. Obwohl eine überwältigende Mehrzahl an Snapdragon-Smartphones über diese Fähigkeit verfügen, obliegt es dem Hersteller des Smartphones sie auch zu aktivieren. Wie zuvor schon beschrieben vermeiden es viele Hersteller diesen Schnellladestandard zu aktivieren, obwohl Samsung kürzlich endlich nachgegeben und in den aktuellen Flaggschiffen zumindest QC 2.0 freigeschaltet hat.

Abgesehen von hohen Laderaten können Hersteller dank QC noch weitere interessante Features implementieren. Eine davon nennt sich Dual Charge Technology, mittels der eine zweite Ladeelektronik parallel zur ersten geschaltet wird. Dies teilt die Ladelast auf und erzeugt als direkte Folge bedeutend weniger Hitze, was wiederum schnellere Ladevorgänge und weniger Langzeitschäden nach sich zieht. Ein anderes Feature ist die dynamische Spannungsanpassung, in Version 3.0 noch mit 200-mV-Schritten und ab Version 4.0 in 20-mV-Schritten. Diese Technologie ist auch bekannt als INOV: Intelligent Negotiation for Optimum Voltage.

Den seltenen Fall vorausgesetzt, dass unterschiedliche Unternehmen das gleiche oder zumindest ein ähnliches Protokoll implementiert haben, sollte jedes dieser Systeme von Drittanbietern recht gut mit einem ausreichend guten Qualcomm-Quick-Charge-Ladegerät zusammenarbeiten. Dank der enormen Verbreitung von Qualcomm-QC-Ladegeräten werden viele Verbraucher mit der Möglichkeit, auf diese Kompatibilität zurückgreifen zu können, höchst zufrieden sein.

Andere weniger populäre Standards

Die immense Popularität von Quick Charge hat dazu geführt, dass so mancher andere Hersteller sich der Idee angeschlossen hat, um vergleichbar schnelle Ladevorgänge zu ermöglichen. Kompatible Standards sind unter anderem Motorola TurboPower, Asus BoostMaster, Samsung Adaptive Charge und Vivo Dual-Engine Fast Charging, auch bekannt als Mediatek PumpExpress. Ein Nachteil ist allerdings, dass man bei all diesen Standards in der Regel mit einem Originalladegerät des Endgeräteherstellers besser bedient ist. Natürlich nicht dem, das im Lieferumfang des Smartphones enthalten war, denn das ist meist ein einfaches Basismodell. Es gibt aber selbstverständlich auch Ausnahmen von dieser Regel und in der Praxis sind die Unterschiede eher gering bis vernachlässigbar.

Ein weiterer Standard ist Oppos VOOC-Technologie (Voltage Open Loop Multi-Step Constant-Current Charging – gut, dass dies abgekürzt wurde). Version 2.0 lädt mit bis zu 5 V/4 A (20 W), in Version 3.0 wurde der Ladestrom auf 5 A erhöht. Die jüngste Version, SuperVOOC, lädt mit bis zu 10 V und 6,5 A und damit beeindruckenden 65 W unter Idealbedingungen.

Normales Schnellladen hat keine negativen Effekte auf Akkus. Allerdings kann die Erhöhung des Ladestroms anstelle der Ladespannung zu höheren Temperaturen führen, was wiederum nachteilig sein kann. Einige Experten sind der Meinung, dass die 40-W-Version von SuperVOOC die Restkapazität eines Akkus im selben Zeitraum, in dem ein 15-W-Ladegerät eine Reduktion auf 90 % verursachen würde, auf bis zu 70 % reduzieren kann. Würde es sich um eine Standardladeelektronik handeln, wäre dies sicherlich denkbar. Allerdings darf nicht unterschlagen werden, dass Oppo sich bei der Ausarbeitung des Standards die Mühe gemacht hat die schädlichen Auswirkungen dadurch zu reduzieren, dass man ein Zwei-Zellen-Batteriedesign implementieren kann. Dadurch können effektiv zwei Akkus zusammengeschaltet und als einer verwendet, jedoch separat voneinander geladen werden. Daher ist die endgültige Entscheidung über die Langzeitfolgen von SuperVOOC noch nicht gefällt. Es ist aber durchaus denkbar, dass die negativen Effekte vernachlässigbar sind.

Auf der anderen Seite verwendet VOOC dynamische Anpassung der Stromstärke statt der Spannung, wodurch es zu keinem anderen Schnellladestandard kompatibel ist, egal ob Ladegerät oder Kabel. Wer diese Technik einsetzen will muss sicherstellen, dass jedes Glied in der Kette es unterstützt. Eine Ausnahme stellen Smartphones von OnePlus dar, die eine lizensierte Variante von VOOC implementieren, um Schnellladefunktionen bereitzustellen. Sie werden zwar nicht so beworben, sind aber im Allgemeinen zu Oppos proprietärem Ladeprotokoll kompatibel. 

Anker PowerIQ

Die europäische Variante des OnePlus-Dash-Ladegeräts, welches VOOC-Technologie basiertauf Oppos
Die europäische Variante des OnePlus-Dash-Ladegeräts, welches VOOC-Technologie basiertauf Oppos

PowerIQ ist eine interessante Technologie, da sie ähnlich wie USB Power Delivery und Qualcomms Quick Charge entwickelt wurde, um herstellerübergreifend zu funktionieren. Es ist allerdings bei weitem nicht so bekannt oder verbreitet wie PD und etwas schwieriger zu navigieren als QC. Mit vielen Smartphones funktioniert es hervorragend, mit anderen brauchbar und mit einigen nur schlecht bis gar nicht. Generell ist PowerIQ 2.0 deutlich langsamer als Quick Charge 3.0, den üblichen 500-mA-Ladestrom kann es aber locker schlagen.

PowerIQ 3.0 macht augenscheinlich einen guten Job die verschiedenen konkurrierenden Standards unter einem Hut zu vereinen. Dank akzeptabler Preise und dem guten Ruf des Herstellers stellt es für viele Anwender also eine veritable Alternative dar. Es soll so schnell sein wie QC 3.0 und High-End-Smartphones von Samsung sowie iPhones innerhalb von 30 Minuten auf 50 % aufladen können. Abgesehen von diesen zwei Geräten variieren die Ergebnisse. Zum Beispiel berichten einige Motorola-Anwender, dass ihre Geräte nur mit normalen Laderaten geladen wurden. Wer nach einem Ladegerät sucht, das eine möglichst breite Front an Endgeräten unterstützt und dafür bereit ist auf die schnellste auf diesem Planeten verfügbare Ladeperformance zu verzichten, sollte es trotzdem in die nähere Auswahl einbeziehen.

Auch Huawei hat einen eigenen proprietären Standard namens Super Fast Charging entwickelt, der bis zu 40 W liefern kann. Ähnlich wie bei Oppo wird auch hier auf eine dynamische Anpassung der Stromstärke zurückgegriffen, die potenziell negative Langzeitfolgen aufgrund höherer Hitzeentwicklung haben könnte. Aber auch hier steht der endgültige Beweis noch aus. Den größten Nachteil teilt sich die Technologie allerdings mit den Endgeräten des Herstellers: der kürzlich vollzogene erzwungene vollständige Rückzug aus Googles Ökosystem. Es bleibt abzuwarten, ob Chinas Smartphonegigant in westlichen Märkten jemals wieder Fuß fassen wird, wir sind da aber eher skeptisch. Leider ist ein Smartphone ohne Zugriff auf Googles Play Store außerhalb Chinas relativ nutzlos. Andererseits können Besitzer älterer Huawei-Smartphones, die noch Zugriff auf die Google-Dienste haben, von dieser Technologie profitieren. 

Fazit

Die Auswahl des richtigen Ladeprotokolls und der richtigen Geschwindigkeit wird immer einen Kompromiss zwischen Ladegeschwindigkeit und Langlebigkeit des Akkus darstellen. Wer sich auf die üblichen 500 mA eines USB-A-Ports besinnt und es nicht sonderlich eilig hat ist definitiv auf dem richtigen Weg zu einem langanhaltend gesunden und effizienten Akku. Auch das Halten des Ladestands zwischen 50 und 80 % im Alltag ist ein guter Trick, wobei es fast noch wichtiger ist Ladestände unter 20 % und über 90 % möglichst zu vermeiden. Die Verwendung der richtigen Kabel für den gewählten Standard ist ebenfalls wichtig, insbesondere bei Standards mit hohen Ladeströmen wie SuperVOOC oder Huawei Super Fast Charge. Und zu guter Letzt sollte man das Smartphone insbesondere während des Ladevorgangs von Wärmequellen fernhalten. Klingt zwar absolut logisch, sollte man aber trotzdem im Hinterkopf behalten.

Beachten sollte man außerdem, dass das Aktivieren des Stamina-Modus unter Android die Schnellladefähigkeiten extrem einschränken kann. Wer also das Maximum aus dem Ladegerät holen will muss sicherstellen, dass der Stamina-Modus während des Ladevorgangs deaktiviert ist. Wer den Ladevorgang dagegen möglichst akkuschonend gestalten will, für den gilt genau das Gegenteil: hier muss der Stamina-Modus aktiviert bleiben.

USB Power Delivery und Qualcomm Quick Charge sind die mit großem Abstand am weitesten verbreiteten und nützlichsten Standards, wenngleich Ankers PowerIQ in der neuesten Spezifikation sich ebenfalls als sehr nützlich herausstellt, da es viele der QC-3.0-Spezifikationen nachempfindet. Alle drei arbeiten mit variabler Spannung und sollten dadurch mit denselben Kabeln funktionieren. Ein Großteil der Anwender wird mit einer dieser drei Standards mehr als zufrieden sein, man sollte sich allerdings trotzdem erkundigen bevor man sich für einen entscheidet. Wir würden uns freuen, wenn ihr uns in den Kommentaren an eurer Entscheidungsfindung und eurer Meinung teilhaben lasst. Mit welchen Standards habt ihr gute Erfahrungen gemacht? Mit welchen schlechte? Und welche Endgeräte waren jeweils im Spiel?

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Autor: Christopher Thomas, 23.06.2020 (Update: 12.03.2021)