Jak ograniczyć ładowanie baterii w laptopie ThinkPad T430

Czy zastanawialiście się może dlaczego baterie w laptopach zużywają się mimo, że w pewnych przypadkach nie są one praktycznie wykorzystywane? Rozważmy sobie ideę używania laptopa w roli przeciętnego komputera stacjonarnego. W takiej sytuacji do laptopa ciągle jest podpięty przewód zasilający, przez co bateria powinna być używana jedynie w momencie braku zasilania z sieci energetycznej. Zatem niby pobieramy prąd z gniazdka ale bateria i tak się nam zużyje po pewnym czasie. Niektórzy radzą, by wyciągnąć akumulator z laptopa i używać takiego komputera bez baterii. Takie postępowanie ma w moim odczuciu jednak same wady i postanowiłem poszukać jakiegoś bardziej cywilizowanego rozwiązania wzorowanego na aplikacji Battery Charge Limit spotykanego w smartfonach z Androidem. Gdyby udało się ustalić limit ładowania akumulatora w moim ThinkPad T430 na max 40%, to wydłużyłoby dość znacznie żywotność jego baterii. Niekiedy oprogramowanie na windows umożliwia tego typu funkcjonalność ale co w przypadku linux'a? Czy da radę pod linux powstrzymać laptopa od degradowania baterii za sprawą ładowania jej ciągle do 100%?

Czynniki wpływające na żywotność baterii

Na żywotność akumulatorów opartych o technologię litowo-jonową (Li-ion) w naszych laptopach ma wpływ wiele czynników. Jednym z tych, które możemy kontrolować jako użytkownicy komputerów, jest przede wszystkim ilość cykli ładowania/rozładowania. Laptopy trochę różnią się w tej kwestii od smartfonów, bo te drugie nie umożliwiają zwykle obejścia układu baterii i musi być ona obecna jeśli zamierzamy korzystać z telefonu. W przypadku laptopów, użytkownik jest w stanie wyciągnąć akumulator z obudowy i w dalszym ciągu używać takiego komputera, o ile go tylko podłączy do gniazdka. Niemniej jednak, w dalszym ciągu laptop może być ładowany i rozładowany w pełni jeśli ma tylko dość mobilnego właściciela. Każdy taki cykl pełnego ładowania degraduje baterię, która po około 300-500 cyklach będzie się wykazywać dość sporym ubytkiem pojemności, co z reguły będzie wiązać się z wymianą akumulatora, a dla nas z dodatkowymi kosztami.

Drugim czynnikiem, na który możemy mieć wpływ, to poziom naładowania baterii. Z reguły w laptopach system będzie nam ładował akumulator do 100%. W przypadku takiego podejścia chodzi o zmaksymalizowanie czasu pracy na baterii w momencie, gdy nie mamy dostępu do sieci energetycznej. Niemniej jednak, odbywa się to kosztem żywotności baterii, jako że baterie litowo-jonowe preferują bardziej stany pośrednie, niż stan pełnego naładowania. Generalnie to im pełniejszy jest Li-ion, tym gorzej dla jego żywotności.

Ostatnim takim ważnym czynnikiem, na który mamy pośrednio wpływ, jest temperatura baterii zmieniająca się w zależności od tego jak taki laptop jest wykorzystywany w danym momencie. Im bardziej intensywnie jest utylizowany procesor lub/i dysk twardy, tym więcej ciepła się wydziela wewnątrz obudowy komputera. Zdolności laptopa do odprowadzania tego ciepła na zewnątrz są ograniczone i różne jego elementy mogą się dodatkowo nagrzewać. Jednym z tych elementów jest właśnie akumulator. Zasada generalnie jest taka, że im wyższa temperatura baterii, tym mniejsza jej żywotność. Powinniśmy mieć ten fakt na uwadze i nie przegrzewać zbytnio akumulatora. Dodatkowo, jeśli baterię poddajemy procesowi ładowania, to jej temperatura może wzrosnąć jeszcze bardziej i o tym też trzeba pamiętać. Warto sobie również zdawać sprawę z zależności jaka istnieje między stopniem naładowania baterii i jej temperaturą. Im pełniejszy jest akumulator i ma przy tym wyższą temperaturę, tym gorzej dla jego żywotności. Zatem ta sama temperatura ale przy niższych stanach naładowania wpłynęła by w o wiele mniejszym stopniu na żywotność akumulatora.

Laptop bez baterii

Część osób, do których również i ja się zaliczam, odeszła już od korzystania ze stacjonarnych blaszaków, które mają zasilacze 500+W. W roli desktopowego komputera służy nam w zasadzie już tylko laptop, u którego pobór prądu rzadko kiedy przekracza 15-20W. O ile w przypadku mobilnych laptopów chcielibyśmy raczej aby ich bateria starczyła nam na jak najdłużej (zwłaszcza gdy nie mamy dostępu do sieci energetycznej), to co w przypadku, gdy nasz laptop jest wykorzystywany w roli takiego semi desktopa, który praktycznie ciągle jest na kablu? Niektórzy starają się wyciągać akumulator z laptopa i chowają go zwykle do szafy czy podobnego pomieszczenia, tak by czekał on sobie na nadejście lepszych dla niego czasów, w których będzie potrzebny. Takie zachowanie ma w zasadzie same wady.

Po pierwsze, pozbawiamy się właściwości UPS, które bateria w laptopie zapewnia. Brak UPS niesie ze sobą problemy w przypadku krótkich zaników prądu, przy których to wystąpieniu nasza maszyna będzie się resetować/wyłączać, co z kolei może uszkodzić system plików partycji na dysku twardym. Nawet jeśli system plików się nie posypie, to zwykle mamy ryzyko stracenia niezapisanych jeszcze informacji, np. w otwartym edytorze tekstu.

Druga sprawa dotyczy przechowywania baterii, której się nie używa. Chodzi o to, że do przechowywania baterii trzeba podejść dość rozważnie. W transporcie mocny nacisk kładzie się na to, by taka bateria była w określonym stanie naładowania nieprzekraczającym 30%. Ma to na celu minimalizować ryzyko zagrożenia pożarowego. Może i nam ono nie grozi aż tak bardzo jak w przypadku przewożenia akumulatorów z jednego końca świata na drugi ale też niższe stany naładowania potrafią znacznie zwiększyć żywotności baterii podczas dłuższego przechowywania. Technicznie rzecz ujmując, to im bardziej jest naładowania bateria (dąży do 100%) i leży nieużywana, tym większe permanentne straty pojemności będzie notować.

Trzeba też wziąć pod uwagę fakt, że taki akumulator będzie się rozładowywał sam z siebie. Wszystko zależy od stopnia naładowania i temperatury w jakiej ta bateria jest przechowywana (może to być nawet kilka-kilkanaście procent w skali miesiąca). Jeśli teraz zapomnimy o tej baterii, by ją od czasu do czasu wyciągnąć z szafy w celu wykonania kilku pełnych cykli ładowania-rozładowania, to jest niemal pewne, że ona przejdzie w stan uśpienia za sprawą zbyt niskiego napięcia. Jeśli taką baterię któregoś dnia podłączymy do naszego laptopa, to on już nie będzie w stanie jej wykryć i w zasadzie taki akumulator będzie jedynie do wyrzucenia (ewentualnie trzeba będzie go oddać do serwisu by tam go przywrócili do życia).

Warto też zaznaczyć tutaj fakt, że pewne układy w komputerze (CMOS RAM i RTC) wymagają ciągłego podtrzymywania zasilania. W ich przypadku mamy zwykle dedykowaną osobną baterię CMOS, której zadaniem jest podtrzymywanie napięcia w układach na wypadek braku zewnętrznego zasilania. W przypadku laptopa, zewnętrzne zasilanie może dostarczyć jego akumulator lub zasilacz (w przypadku, gdy maszyna działa bez akumulatora). Jeśli teraz wyciągniemy z laptopa akumulator i na noc odłączymy również zasilacz od gniazdka, tak by komputer nie był non stop podłączony od sieci energetycznej, to ta bateria CMOS będzie stopniowo rozładowywana, aż któregoś dnia padnie, co my odczujemy resetem czasu i ustawień BIOS.

Jak widać, wyciąganie baterii z laptopa i przechowywanie jej w szafie w celu ochrony przed zużyciem mija się trochę z celem, zwłaszcza jak się do tego zabierzemy w niezbyt przemyślany sposób. Optymalnym rozwiązaniem za to byłoby utrzymywanie baterii w stanie naładowania około 30-40% bez potrzeby wyciągania akumulatora z laptopa. W taki sposób, jeśli pojemność by spadła poniżej 30%, to system by nam tę baterię automatycznie podładował, jednocześnie nie ładowałby baterii powyżej 40%, a my mielibyśmy przy tym zapewniony również UPS oraz zasilanie dla zegara i BIOS'u.

Progi ładowania baterii w laptopach Lenovo

Standardowo laptopy Lenovo mają ustawione progi 96% dla rozpoczęcia ładowania baterii i 100% dla zatrzymania ładowania. Czyli naładujemy baterię laptopa do 100% i po osiągnięciu tego progu, maszyna powinna przełączyć się w tryb zasilania z sieci. W przypadku, gdy z jakiegoś powodu stan baterii będzie wskazywał na 96% (i niżej), np. pojemność baterii zmniejszy się w skutek samo jej rozładowania z czasem, to w takim przypadku system nam załączy ładowanie baterii i zostanie ona doładowana do 100%. Nie jest to jakiś szczególnie optymalny poziom ładowania baterii litowo-jonowych ale mój poprzedni laptop zdawał się ładować baterię, gdy ta miała 99%, więc jeszcze gorzej niż w tym ThinkPad T430.

Na szczęście niektórzy producenci laptopów (w tym Lenovo) umożliwiają użytkownikowi konfigurację progów ładowania za sprawą plików charge_start_threshold i charge_stop_threshold obecnych w katalogu /sys/class/power_supply/BAT0/ (nazwy pewnie mogą się ździebko różnić). Dzięki tym dwóm plikom można określić zarówno dolną jak i górną granicę stanu naładowania baterii. W taki oto sposób jeśli mamy laptopa postawionego w roli desktopa i nie chcemy obawiać się krótkich zaników energii, to możemy skonfigurować baterię określając jej progi 30%-40% w poniższy sposób:

# echo 30 > /sys/class/power_supply/BAT0/charge_start_threshold
# echo 40 > /sys/class/power_supply/BAT0/charge_stop_threshold

Dzięki takiemu stanu rzeczy, nie będziemy musieli wyjmować baterii z laptopa, by chronić ją przed nadmiernym naładowaniem, a jednocześnie będziemy mieli zapewnioną funkcjonalność UPS na wypadek krótkoterminowych zaników prądu.

Co ciekawe, ustawienie progów baterii zdaje się mieć trwały efekt, tj. po restarcie systemu, czy też jego wyłączeniu, te wyżej ustawione wartości są zachowywane i odtwarzane, co niweluje potrzebę zastosowania warstwy programowej, która by nam te progi ustawiała przy każdym starcie komputera. Wszystko dlatego, że kontrolowaniem procesu ładowania zajmuje się firmware wbudowanego kontrolera (EC), któremu my jedynie podajemy wartości (za sprawą plików w katalogu /sys/class/power_supply/BAT0/ ). Zatem też bateria w naszym laptopie nie będzie ładowana powyżej limitów w przypadku podłączenia go do prądu w stanie wyłączonym.

Warto tutaj zaznaczyć, że te ustawienia resetują się do domyślnych za każdym razem jak tylko wyciągniemy baterię z laptopa. Jeśli tego nie robimy zbyt często, to te wyżej ustawione wartości będą honorowane ale jak tylko wyciągniemy baterię, to trzeba je na nowo ustawić, o czym należy pamiętać.

Naturalnie nic nie stoi na przeszkodzie by doinstalować sobie jakieś narzędzia pokroju TLP/ TLPUI czy tpacpi-bat, tak by umożliwiły one nam łatwiejszą konfigurację tego aspektu pracy naszego linux'a.

Test ustawień progów ładowania baterii

Wypadałoby przetestować te nowe ustawienia baterii. Odpalmy zatem upower i zobaczmy jak on widzi baterię w naszym laptopie:

# upower /org/freedesktop/UPower/devices/battery_BAT0  -d
...
Device: /org/freedesktop/UPower/devices/battery_BAT0
...
  battery
    present:             yes
    rechargeable:        yes
    state:               charging
    warning-level:       none
    energy:              7.89 Wh
    energy-empty:        0 Wh
    energy-full:         19.94 Wh
    energy-full-design:  56.16 Wh
    energy-rate:         12.8887 W
    voltage:             10.915 V
    time to full:        56.1 minutes
    percentage:          39%
    capacity:            35.5057%
    technology:          lithium-ion
    icon-name:          'battery-good-charging-symbolic'
...

Mamy tutaj energy-full-design , który dość znacznie różni się od energy-full , zatem ta bateria ma 35% nominalnej pojemności (widać ktoś dał jej mocno w kość). Mamy też energy i percentage , które określają aktualny stan naładowania akumulatora i jest to około 40% -- więcej nie będzie za sprawą ustawionego limitu. Jak w późniejszym czasie stan naładowania baterii spadnie poniżej 30%, to system znów podładuje baterię do tych 40%, co rozwiązuje w zasadzie wszystkie problemy. Jeśli zaś chodzi o state , który ciągle pokazuje charging (ładowanie), to mamy tutaj do czynienia jedynie z błędem i ta wartość nie do końca potrafi określić dokładny stan baterii po zastosowaniu limitów.

Tak traktowana bateria powinna zwiększyć swoją żywotność parokrotnie (5-8 razy), a o ile dokładnie to zależy jeszcze od paru czynników, o których była mowa wcześniej.