Исследователи сообщают, что беспроводная зарядка телефона, хотя и очень удобная, может привести к сокращению срока службы устройств, использующих типичные литий-ионные аккумуляторы (LIB).

Потребители и производители усилили свой интерес к этой удобной технологии зарядки, называемой индуктивной зарядкой, отказавшись от использования штепсельных вилок и кабелей в пользу установки телефона непосредственно на зарядную базу.

Стандартизация зарядных станций и включение индуктивных зарядных катушек во многие новые смартфоны привели к быстрому росту применения этой технологии. В 2017 автомобильные модели 15 объявили о включении в транспортные средства консолей для индуктивной зарядки потребительских электронных устройств, таких как смартфоны, и в гораздо большем масштабе многие рассматривают его для зарядки аккумуляторов электромобилей.

Проблемы с беспроводной зарядкой

Индуктивная зарядка позволяет источнику энергии передавать энергию через воздушный зазор без использования соединительного провода, но одной из основных проблем этого режима зарядки является количество нежелательного и потенциально вредного тепла, которое он может генерировать.

Существует несколько источников тепловыделения, связанных с любой индуктивной зарядной системой - как в зарядном устройстве, так и в устройстве, в котором производится зарядка. тот факт, что устройство и зарядная база находятся в тесном физическом контакте, усугубляет этот дополнительный нагрев. Простая теплопроводность и конвекция могут передавать любое тепло, генерируемое в одном устройстве, другому.

В смартфоне катушка, принимающая энергию, находится рядом с задней крышкой телефона (которая обычно не проводит электричество), а ограничения упаковки требуют размещения батареи телефона и силовой электроники в непосредственной близости, с ограниченными возможностями рассеивания тепла, выделяемого в телефон, или оградите телефон от перегрева, который генерирует зарядное устройство.

Было хорошо задокументировано, что батареи хранятся быстрее при хранении при повышенных температурах и что воздействие высоких температур может, таким образом, значительно повлиять на состояние здоровья (SoH) батарей в течение срока их полезного использования.

Эмпирическое правило (или, более формально, уравнение Арренуэса) состоит в том, что для большинства химических реакций скорость реакции удваивается с каждым повышением температуры на 10 ° C (18 ° F). В батарее реакции, которые могут происходить, включают ускоренную скорость роста пассивирующих пленок (тонкое инертное покрытие, делающее поверхность под нереакционноспособной) на электродах элемента. Это происходит посредством окислительно-восстановительных реакций клетки, которые необратимо увеличивают внутреннее сопротивление клетки, что в конечном итоге приводит к снижению производительности и выходу из строя. Обычно считается, что литий-ионный аккумулятор, температура которого превышает 30 ° C (86 ° F), находится при повышенной температуре, что подвергает аккумулятор риску сокращения срока его службы.

Изданные производителями аккумуляторов рекомендации также указывают, что верхний диапазон рабочих температур их продуктов не должен превышать диапазон 50–60 °C (122–140 °F), чтобы избежать образования газа и катастрофического отказа.

Эти факты побудили исследователей провести эксперименты, сравнивающие повышение температуры при обычной зарядке батареи по проводам с индуктивной зарядкой. Однако исследователи были еще более заинтересованы в индуктивной зарядке, когда потребитель смещает телефон на зарядной базе. Чтобы компенсировать плохое выравнивание телефона и зарядного устройства, системы индуктивной зарядки обычно увеличивают мощность передатчика и / или регулируют свою рабочую частоту, что приводит к дальнейшим потерям эффективности и увеличению тепловыделения.

Это смещение может быть очень распространенным явлением, поскольку фактическое положение приемной антенны в телефоне не всегда интуитивно понятно или очевидно для потребителя, использующего телефон. Поэтому исследовательская группа также проверила зарядку телефона с преднамеренным смещением катушек передатчика и приемника.

Сравнение методов зарядки

Исследователи проверили все три метода зарядки (проводной, согласованный индуктивный и неправильно выровненный индуктивный) с одновременной зарядкой и тепловыми изображениями с течением времени, чтобы сформировать температурные карты, чтобы помочь количественно оценить эффекты нагрева.

В случае телефона, заряженного от обычной сети, максимальная средняя температура, достигнутая в течение 3 часов зарядки, не превышала 27 ° C (80.6 ° F).

В отличие от этого, для телефона, заряженного выравниваемой индуктивной зарядкой, температура достигла максимума при 30.5 ° C (86.9 ° F), но постепенно снижалась в течение второй половины периода зарядки. Это похоже на максимальную среднюю температуру, наблюдаемую при смещенной индуктивной зарядке.

В случае смещенной индуктивной зарядки пиковая температура была аналогичной величины (30.5 ° C (86.9 ° F)), но эта температура была достигнута раньше и сохранялась гораздо дольше на этом уровне (минуты 125 против минут 55 для правильно выровненной зарядки) ,

Независимо от режима зарядки, правый край телефона показал более высокую скорость повышения температуры, чем другие области телефона, и оставался выше в течение всего процесса зарядки. Компьютерная томография показала, что именно в этой точке находится материнская плата.

Также примечателен тот факт, что максимальная входная мощность для зарядной базы была больше в тесте, где телефон был смещен (11 Вт), чем хорошо выровненный телефон (I Вт). Это связано с тем, что система зарядки увеличивает мощность передатчика из-за смещения, чтобы поддерживать целевую входную мощность для устройства.

Максимальная средняя температура зарядной базы во время зарядки при смещении достигла 35.3 ° C (95.54 ° F), на два градуса выше, чем температура, которую исследователи обнаружили, когда телефон был выровнен, что достигло 33 ° C (91.4 ° F). Это является симптомом ухудшения эффективности системы с дополнительным тепловыделением, связанным с потерями силовой электроники и вихревыми токами.

Исследователи отмечают, что будущие подходы к проектированию индуктивной зарядки могут уменьшить эти потери при передаче и, следовательно, уменьшить нагрев, используя ультратонкие катушки, более высокие частоты и оптимизированную электронику привода, чтобы обеспечить компактные и более эффективные зарядные устройства и приемники, которые можно интегрировать в мобильные устройства. устройства или батареи с минимальными изменениями.

В заключение исследовательская группа обнаружила, что индуктивная зарядка, хотя и удобна, скорее всего, приведет к сокращению срока службы аккумулятора мобильного телефона. Для многих пользователей это ухудшение может быть приемлемой ценой для удобства зарядки, но для тех, кто хочет прожить самый длинный срок службы от своего телефона, зарядка по кабелю все еще рекомендуется.

Источник: Университет Уорвик