Mobile devices like smartphones have become deeply ingrained in our lives and are now truly essential. Therefore, mobile users experience a lot of stress when the battery of their devices is low. Notably, it is reported that mobile users suffer symptoms such as low battery anxiety and nomophobia (no mobile phone phobia) when they experience low battery. Despite the physical advance of an existing single-cell battery system, mobile users are still suffering from low battery anxiety and nomophobia. With a careful analysis of users’ battery usage behavior collected for 19,855 hours, we propose a heterogeneous battery system, MixMax, consisting of three complementary battery types tailored to minimizing the low battery time. While composing a heterogeneous battery system opens up a chance to simultaneously improve the capacity and the charging speed, one must face non-trivial challenges to determine the ratio of enclosed batteries and charge/discharge policies during the run-time. They are not only difficult to design due to the complex behavior of mixing batteries, but also, there are almost infinite candidates for the choice to design them. MixMax gracefully unwinds the complexities as it formulates the decision-making problem into an optimization problem and decomposes it into multiple sub-problems instead. To evaluate MixMax, we fabricate coin-cell batteries and experiment with them to model an accurate battery emulator which sophisticatedly reproduces the dynamics of battery systems. Our experimental results demonstrate that MixMax can reduce the low battery time by $24.6%$ without compromising capacity, volume, weight, and more importantly, users’ battery usage behavior. Additionally, by classifying users based on their battery usage patterns and providing a customized MixMax to each user cluster, the customized MixMax is able to reduce battery shortage time by up to $36.1%$. Lastly, we prototype MixMax on a smartphone, presenting the practicality of MixMax on mobile systems.
스마트폰 같은 모바일 기기들이 우리 삶에 깊게 녹아들어 이제 정말 중요한 요소가 되었다. 그렇기에 모바일 유저들은 모바일 기기의 배터리가 부족할 때 많은 스트레스를 받는다. 대표적으로, 모바일 유저들은 기기의 배터리 부족을 경험할 때 배터리 부족 불안 (low battery anxiety) 이나 노모포비아 (nomophobia - no mobile phone phobia) 등의 증상을 겪는다고 알려져있다. 현존하는 단일-셀 배터리 시스템의 물리적인 발전에도 불구하고, 모바일 유저들은 여전이 배터리 부족 불안과 노모포비아에 시달리고 있다. 19,855 시간에 해당하는 사용자들의 배터리 사용 데이터를 수집하여 이를 면밀히 분석한 끝에, 우리는 모바일 유저들의 배터리 부족 시간을 최소화하는 상호보완적인 세 종류의 배터리 타입으로 구성된 이종 배터리 시스템 MixMax를 제안한다. 이종 배터리로 시스템을 구성하면 배터리 시스템의 충전 속도와 배터리 용량을 동시에 향상할 기회를 열게 되지만, 이 이종 배터리 시스템을 활용하기 위해서는 각 배터리의 비율은 어떻게 탑재해야하는지, 시스템 운영 중 각 배터리를 어떻게 충전/방전 할 것인지에 대한 정책 등의 복잡한 문제를 해결해야한다. 배터리 비율과 충전 정책, 방전 정책 이 세 가지 요소들은 배터리들을 혼용 시 생기는 복잡한 행동 특성 때문에 설계하기 어려울 뿐만 아니라, 무한히 많은 선택의 경우의 수가 존재한다. 우리가 제안하는 MixMax는 이러한 복잡성을 보이는 문제를 최적화 문제로 정의하고 하위 문제로 나누어 푸는 접근법을 통하여 풀어낸다. MixMax를 평가하기 위하여 우리는 직접 코인-셀 (coin-cell) 배터리를 직접 제작하고 실험하여 배터리의 복잡한 내부 동작을 재현하는 정교한 배터리 에뮬레이터를 개발하하였다. 우리의 실험 결과는 MixMax가 배터리 용량이나, 부피, 무게, 수명, 특히 사용자들의 동작을 해치지 않으면서 $24.6%$ 사용자들의 배터리 부족 시간을 줄일 수 있음을 보였다. 추가적으로, 우리는 배터리 사용 패턴에 따라 유저들을 분류하고, 각 유저 클러스터에 맞춤하된 MixMax를 제공하면 배터리 부족 시간을 $36.1%$ 까지도 줄일 수 있었다. 마지막으로, 우리는 MixMax를 직접 스마트폰에 적용한 프로토타입을 제작하고 분석하여, MixMax의 모바일 시스템에 적요에 있어서의 실용성을 입증하였다.
