Trådløs opladning af din telefon, mens den er meget praktisk, risikerer at nedbryde levetiden på enheder, der bruger typiske lithium-ion-batterier (LIB), rapporterer forskere.

Forbrugere og producenter har øget deres interesse for denne bekvemme opladningsteknologi, kaldet induktiv opladning, idet de opgiver at fikle med stik og kabler til fordel for blot at indstille telefonen direkte på en opladningsbase.

Standardisering af ladestationer og inkludering af induktive opladningsspoler i mange nye smartphones har ført til hurtigt stigende anvendelse af teknologien. I 2017 annoncerede 15 bilmodeller, at konsoller blev inkluderet i køretøjer til induktiv opladning af elektroniske forbrugere, såsom smartphones - og i meget større målestok overvejer mange det til opladning af elektriske køretøjsbatterier.

Problemer med trådløs opladning

Induktiv opladning gør det muligt for en strømkilde at transmittere energi over et luftspalte uden brug af tilslutningsledning, men et af hovedproblemerne med denne opladningstilstand er mængden af ​​uønsket og potentielt skadelig varme, den kan generere.

Der er adskillige kilder til varmeproduktion forbundet med ethvert induktivt opladningssystem - både i opladeren og enheden er dets opladning. det faktum, at enheden og opladningsbasen er i tæt fysisk kontakt, gør denne ekstra opvarmning værre. Enkel termisk ledning og konvektion kan overføre al varme genereret i en enhed til den anden.

I en smartphone er den strømmodtagende spole tæt på telefonens bagdæksel (som normalt ikke er elektrisk ledende), og emballagebegrænsninger nødvendiggør placering af telefonens batteri og strømelektronik i nærheden, med begrænsede muligheder for at sprede varme genereret i telefonen, eller beskyt telefonen mod varme, som opladeren genererer.

Det er veldokumenteret, at batterier ældes hurtigere, når de opbevares ved forhøjede temperaturer, og at eksponering for højere temperaturer således kan påvirke batteriets sundhedstilstand (SoH) væsentligt i løbet af deres brugbare levetid.

Tommelfingerreglen (eller mere teknisk Arrhenuis-ligningen) er, at for de fleste kemiske reaktioner fordobles reaktionshastigheden med hver 10 ° C (18 ° F) temperaturstigning. I et batteri inkluderer reaktionerne, der kan forekomme, den accelererede vækstrate for passiverende film (en tynd inert coating, der gør overfladen nedenunder ureaktiv) på celleelektroderne. Dette sker ved hjælp af celle-redoxreaktioner, som irreversibelt øger celleens interne modstand, hvilket i sidste ende resulterer i præstationsnedbrydning og svigt. Et lithiumionbatteri, der ligger over 30 ° C (86 ° F), anses typisk for at være ved forhøjet temperatur, hvilket udsætter batteriet for risiko for en forkortet brugstid.

Retningslinjer, som batteriproducenter har udstedt, specificerer også, at det øvre driftstemperaturområde for deres produkter ikke bør overstige 50?60 °C (122?140 °F) området for at undgå gasdannelse og katastrofale fejl.

Disse fakta fik forskerne til at udføre eksperimenter, der sammenlignede temperaturstigningerne i normal batteriopladning med ledning med induktiv opladning. Forskerne var dog endnu mere interesserede i induktiv opladning, når forbrugeren forkert justerede telefonen på opladningsbasen. For at kompensere for dårlig tilpasning af telefonen og opladeren øger induktive opladningssystemer typisk senderens effekt og / eller justerer deres driftsfrekvens, hvilket medfører yderligere effektivitetstab og øger varmeproduktion.

Denne fejljustering kan være en meget almindelig begivenhed, da den faktiske position for modtagerantenne i telefonen ikke altid er intuitiv eller åbenbar for forbrugeren, der bruger telefonen. Forskergruppen testede derfor også telefonopladning med bevidst forkert justering af sender- og modtagerspoler.

Sammenligning af opladningsmetoder

Forskerne testede alle tre opladningsmetoder (ledning, justeret induktiv og forkert justeret induktiv) med samtidig opladning og termisk billedbehandling over tid for at generere temperaturkort for at hjælpe med at kvantificere varmeeffekterne.

I tilfælde af en telefon, der er opladet med konventionel strøm, oversteg den maksimale gennemsnitstemperatur, der blev nået inden for 3 timers opladning, ikke 27 ° C (80.6 ° F).

I modsætning hertil toppede temperaturen for telefonen opladet ved justeret induktiv opladning ved 30.5 ° C (86.9 ° F), men blev gradvist reduceret i den sidste halvdel af opladningsperioden. Dette svarer til den maksimale gennemsnitstemperatur, der observeres under forkert justeret induktiv opladning.

I tilfælde af forkert justeret induktiv opladning var spidsbelastningstemperaturen af ​​samme størrelse (30.5 ° C (86.9 ° F)), men denne temperatur blev nået hurtigere og vedvarede meget længere på dette niveau (125 minutter versus 55 minutter for korrekt justeret opladning) .

Uanset opladningstilstand viste telefonens højre kant en højere temperaturstigning end andre områder af telefonen og forblev højere gennem hele opladningsprocessen. En CT-scanning af telefonen viste, at dette hotspot er, hvor bundkortet er placeret.

Det var også bemærkelsesværdigt, at den maksimale indgangseffekt til opladningsbasen var større i testen, hvor telefonen var forkert justeret (11 watt) end den veljusterede telefon (i watt). Dette skyldes, at opladningssystemet øger senderens effekt under forkert justering for at opretholde målindgangseffekten til enheden.

Den maksimale gennemsnitstemperatur for opladningsbasen under opladning under forkert justering nåede 35.3 ° C (95.54 ° F), to grader højere end temperaturforskerne opdagede, da telefonen var justeret, hvilket opnåede 33 ° C (91.4 ° F). Dette er symptomatisk for forringelse af systemeffektiviteten med yderligere varmeproduktion, der kan tilskrives effektelektronikstab og virvelstrømme.

Forskerne bemærker, at fremtidige tilgange til induktivt opladningsdesign kan mindske disse overførselstab og dermed reducere opvarmning ved hjælp af ultratynde spoler, højere frekvenser og optimeret drevelektronik til at give opladere og modtagere, der er kompakte og mere effektive og kan integreres i mobil enheder eller batterier med minimal udskiftning.

Afslutningsvis fandt forskergruppen, at induktiv opladning, selvom det er praktisk, sandsynligvis vil føre til en reduktion i mobiltelefonbatteriets levetid. For mange brugere kan denne nedbrydning være en acceptabel pris for nem opladning, men for dem, der ønsker at udnytte den længste levetid fra deres telefon, anbefales kabelopladning stadig.

Kilde: University of Warwick