Jak bezprzewodowe ładowanie może zepsuć baterię telefonu?

Bezprzewodowe ładowanie telefonu, choć jest bardzo wygodne, grozi skróceniem żywotności urządzeń korzystających z typowych akumulatorów litowo-jonowych (LIB), donoszą badacze.

Konsumenci i producenci zwiększyli zainteresowanie tą wygodną technologią ładowania, zwaną ładowaniem indukcyjnym, rezygnując z manipulowania wtyczkami i kablami na rzecz ustawienia telefonu bezpośrednio na podstawie ładującej.

Standaryzacja stacji ładowania i włączenie indukcyjnych cewek ładujących w wielu nowych smartfonach doprowadziło do szybkiego wzrostu przyjęcia tej technologii. W 2017 r. 15 modeli samochodów ogłosiło włączenie konsoli do pojazdów do indukcyjnego ładowania urządzeń elektroniki użytkowej, takich jak smartfony – i na znacznie większą skalę wiele z nich rozważa ją do ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych.

Problemy z ładowaniem bezprzewodowym

Ładowanie indukcyjne umożliwia źródłu zasilania przesyłanie energii przez szczelinę powietrzną bez użycia przewodu łączącego, ale jednym z głównych problemów związanych z tym trybem ładowania jest ilość niepożądanego i potencjalnie szkodliwego ciepła, jakie może generować.

Istnieje kilka źródeł wytwarzania ciepła związanych z dowolnym systemem ładowania indukcyjnego – zarówno w ładowarce, jak i w ładowanym urządzeniu. fakt, że urządzenie i podstawa ładująca są w bliskim kontakcie fizycznym, pogarsza to dodatkowe ogrzewanie. Proste przewodnictwo cieplne i konwekcja mogą przenosić ciepło wytworzone w jednym urządzeniu do drugiego.


wewnętrzna grafika subskrypcji


W smartfonie cewka odbiorcza zasilania znajduje się blisko tylnej obudowy telefonu (która zwykle nie przewodzi elektryczności), a ograniczenia związane z opakowaniem wymagają umieszczenia baterii telefonu i elektroniki zasilania w bliskiej odległości, z ograniczonymi możliwościami rozpraszania wytwarzanego ciepła telefon lub chroń telefon przed ciepłem generowanym przez ładowarkę.

Zostało dobrze udokumentowane, że akumulatory starzeją się szybciej, gdy są przechowywane w podwyższonych temperaturach i że wystawienie na działanie wyższych temperatur może w ten sposób znacząco wpłynąć na stan zdrowia (SoH) akumulatorów przez cały okres ich użytkowania.

Ogólna zasada (lub bardziej technicznie równanie Arrhenuisa) jest taka, że ​​w przypadku większości reakcji chemicznych szybkość reakcji podwaja się przy każdym wzroście temperatury o 10 °C (18 °F). W akumulatorze reakcje, które mogą zachodzić, obejmują przyspieszone tempo wzrostu warstw pasywujących (cienka obojętna powłoka powodująca, że ​​powierzchnia pod spodem jest niereaktywna) na elektrodach ogniwa. Dzieje się to na drodze reakcji redoks ogniwa, które nieodwracalnie zwiększają opór wewnętrzny ogniwa, co ostatecznie skutkuje pogorszeniem wydajności i awarią. Uznaje się, że obudowa akumulatora litowo-jonowego w temperaturze powyżej 30 °C (86 °F) ma podwyższoną temperaturę, co naraża akumulator na ryzyko skrócenia okresu użytkowania.

Wytyczne wydane przez producentów akumulatorów określają również, że górny zakres temperatur roboczych ich produktów nie powinien przekraczać zakresu 50–60°C (122–140°F), aby uniknąć wytwarzania gazu i katastrofalnej awarii.

Fakty te skłoniły naukowców do przeprowadzenia eksperymentów porównujących wzrost temperatury podczas normalnego ładowania akumulatora przewodowego z ładowaniem indukcyjnym. Jednak badacze byli jeszcze bardziej zainteresowani ładowaniem indukcyjnym, gdy konsument źle wyrównuje telefon na podstawie ładującej. Aby zrekompensować złe ustawienie telefonu i ładowarki, systemy ładowania indukcyjnego zwykle zwiększają moc nadajnika i/lub dostosowują częstotliwość roboczą, co powoduje dalsze straty wydajności i zwiększa wytwarzanie ciepła.

Ta niewspółosiowość może być bardzo częstym zjawiskiem, ponieważ faktyczna pozycja anteny odbiorczej w telefonie nie zawsze jest intuicyjna lub oczywista dla konsumenta korzystającego z telefonu. Zespół badawczy przetestował zatem również ładowanie telefonu z celową niewspółosiowością cewek nadajnika i odbiornika.

Porównanie metod ładowania

Naukowcy przetestowali wszystkie trzy metody ładowania (przewodowe, wyrównane indukcyjne i niewspółosiowe indukcyjne) z jednoczesnym ładowaniem i obrazowaniem termicznym w czasie, aby wygenerować mapy temperatury, które pomogą określić ilościowo efekty ogrzewania.

W przypadku telefonu ładowanego konwencjonalnym zasilaniem sieciowym maksymalna średnia temperatura osiągnięta w ciągu 3 godzin ładowania nie przekroczyła 27 °C (80.6 °F).

Natomiast w przypadku telefonu ładowanego przez wyrównane ładowanie indukcyjne temperatura osiągnęła szczyt 30.5°C (86.9°F), ale stopniowo zmniejszała się w drugiej połowie okresu ładowania. Jest to podobne do maksymalnej średniej temperatury obserwowanej podczas niedopasowanego ładowania indukcyjnego.

W przypadku niedopasowanego ładowania indukcyjnego szczytowa temperatura była podobnej wielkości (30.5°C (86.9°F)) ale ta temperatura została osiągnięta wcześniej i utrzymywała się na tym poziomie znacznie dłużej (125 minut w porównaniu do 55 minut przy prawidłowo wyrównanym ładowaniu). .

Niezależnie od trybu ładowania, prawa krawędź telefonu wykazywała wyższe tempo wzrostu temperatury niż inne obszary telefonu i pozostawała wyższa przez cały proces ładowania. Skanowanie CT telefonu wykazało, że ten hotspot to miejsce, w którym znajduje się płyta główna.

Na uwagę zasługuje również fakt, że maksymalna moc wejściowa do bazy ładującej była większa w teście, w którym telefon był źle wyrównany (11 watów) niż dobrze wyrównany telefon (i watów). Wynika to z tego, że system ładowania zwiększa moc nadajnika w przypadku niewspółosiowości w celu utrzymania docelowej mocy wejściowej urządzenia.

Maksymalna średnia temperatura podstawy ładującej podczas ładowania przy niewspółosiowości osiągnęła 35.3 °C (95.54 °F), czyli o dwa stopnie wyższą niż temperatura wykryta przez badaczy podczas ustawiania telefonu, która osiągnęła 33 °C (91.4 °F). Jest to objawem pogorszenia sprawności systemu, z dodatkowym wytwarzaniem ciepła na skutek strat energoelektroniki i prądów wirowych.

Naukowcy zauważają, że przyszłe podejścia do projektowania ładowania indukcyjnego mogą zmniejszyć te straty transferu, a tym samym zmniejszyć nagrzewanie, dzięki zastosowaniu ultracienkich cewek, wyższych częstotliwości i zoptymalizowanej elektroniki napędowej, aby zapewnić ładowarki i odbiorniki, które są kompaktowe i bardziej wydajne oraz można je zintegrować z urządzeniami mobilnymi. urządzenia lub baterie przy minimalnej wymianie.

Podsumowując, zespół badawczy stwierdził, że ładowanie indukcyjne, choć wygodne, prawdopodobnie doprowadzi do skrócenia żywotności baterii telefonu komórkowego. Dla wielu użytkowników ta degradacja może być akceptowalną ceną dla wygody ładowania, ale dla tych, którzy chcą wydłużyć żywotność swojego telefonu, nadal zaleca się ładowanie kablem.

Źródło: University of Warwick