Ασύρματη φόρτιση του τηλεφώνου σας, ενώ είναι πολύ βολικό, κινδυνεύει να μειώσει τη διάρκεια ζωής των συσκευών που χρησιμοποιούν τυπικές μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIBs), αναφέρουν ερευνητές.

Οι καταναλωτές και οι κατασκευαστές έχουν αυξήσει το ενδιαφέρον τους για αυτή τη βολική τεχνολογία φόρτισης, που ονομάζεται επαγωγική φόρτιση, εγκαταλείποντας το παιχνίδι με βύσματα και καλώδια υπέρ της απλής ρύθμισης του τηλεφώνου απευθείας στη βάση φόρτισης.

Η τυποποίηση των σταθμών φόρτισης και η συμπερίληψη επαγωγικών πηνίων φόρτισης σε πολλά νέα smartphone έχει οδηγήσει σε ταχέως αυξανόμενη υιοθέτηση της τεχνολογίας. Το 2017, 15 μοντέλα αυτοκινήτων ανακοίνωσαν τη συμπερίληψη κονσολών σε οχήματα για επαγωγική φόρτιση ηλεκτρονικών συσκευών καταναλωτών, όπως smartphone - και σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα, πολλοί το θεωρούν για φόρτιση μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων.

Ζητήματα ασύρματης φόρτισης

Η επαγωγική φόρτιση επιτρέπει σε μια πηγή ενέργειας να μεταδίδει ενέργεια σε ένα κενό αέρα, χωρίς τη χρήση καλωδίου σύνδεσης, αλλά ένα από τα κύρια ζητήματα με αυτόν τον τρόπο φόρτισης είναι η ποσότητα ανεπιθύμητης και δυνητικά επιβλαβούς θερμότητας που μπορεί να παράγει.

Υπάρχουν αρκετές πηγές παραγωγής θερμότητας που σχετίζονται με οποιοδήποτε σύστημα επαγωγικής φόρτισης - τόσο στο φορτιστή όσο και στη συσκευή η φόρτιση του. το γεγονός ότι η συσκευή και η βάση φόρτισης βρίσκονται σε στενή φυσική επαφή, επιδεινώνει αυτήν την επιπλέον θέρμανση. Η απλή θερμική αγωγιμότητα και μεταφορά μπορεί να μεταφέρει οποιαδήποτε θερμότητα που παράγεται από τη μία συσκευή στην άλλη.

Σε ένα smartphone, το πηνίο λήψης ισχύος βρίσκεται κοντά στο πίσω κάλυμμα του τηλεφώνου (το οποίο συνήθως είναι ηλεκτρικά αγώγιμο) και οι περιορισμοί συσκευασίας απαιτούν την τοποθέτηση της μπαταρίας του τηλεφώνου και των ηλεκτρονικών ισχύος σε κοντινή απόσταση, με περιορισμένες ευκαιρίες για την εξάλειψη της θερμότητας που παράγεται σε το τηλέφωνο ή να προστατεύσετε το τηλέφωνο από τη θερμότητα που δημιουργεί ο φορτιστής.

Έχει τεκμηριωθεί καλά ότι οι μπαταρίες γερνούν ταχύτερα όταν αποθηκεύονται σε υψηλές θερμοκρασίες και ότι η έκθεση σε υψηλότερες θερμοκρασίες μπορεί έτσι να επηρεάσει σημαντικά την κατάσταση της υγείας (SoH) των μπαταριών κατά τη διάρκεια της ωφέλιμης ζωής τους.

Ο βασικός κανόνας (ή πιο τεχνικά η εξίσωση Arrhenuis) είναι ότι για τις περισσότερες χημικές αντιδράσεις, ο ρυθμός αντίδρασης διπλασιάζεται με κάθε αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 ° C (18 ° F). Σε μια μπαταρία, οι αντιδράσεις που μπορούν να προκύψουν περιλαμβάνουν τον επιταχυνόμενο ρυθμό ανάπτυξης παθητικών φιλμ (μια λεπτή αδρανή επικάλυψη που καθιστά την επιφάνεια κάτω από μη αντιδραστική) στα ηλεκτρόδια της κυψέλης. Αυτό συμβαίνει μέσω αντιδράσεων οξειδοαναγωγής κυττάρων, οι οποίες αυξάνουν ανεπανόρθωτα την εσωτερική αντίσταση του κυττάρου, με αποτέλεσμα τελικά την υποβάθμιση της απόδοσης και την αποτυχία. Μια μπαταρία ιόντων λιθίου που κατοικεί πάνω από 30 ° C (86 ° F) θεωρείται τυπικά ότι βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία εκθέτοντας την μπαταρία σε κίνδυνο μικρότερης διάρκειας ζωής.

Οι κατευθυντήριες οδηγίες που έχουν εκδώσει οι κατασκευαστές μπαταριών διευκρινίζουν επίσης ότι το ανώτερο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας των προϊόντων τους δεν πρέπει να ξεπερνά το εύρος 50-60 °C (122-140 °F) για να αποφευχθεί η παραγωγή αερίου και η καταστροφική βλάβη.

Αυτά τα γεγονότα οδήγησαν τους ερευνητές να πραγματοποιήσουν πειράματα που συγκρίνουν την αύξηση της θερμοκρασίας στην κανονική φόρτιση της μπαταρίας μέσω καλωδίου με επαγωγική φόρτιση. Ωστόσο, οι ερευνητές ενδιαφέρθηκαν ακόμη περισσότερο για την επαγωγική φόρτιση όταν ο καταναλωτής δεν ευθυγραμμίζει σωστά το τηλέφωνο στη βάση φόρτισης. Για να αντισταθμιστεί η κακή ευθυγράμμιση του τηλεφώνου και του φορτιστή, τα συστήματα επαγωγικής φόρτισης συνήθως αυξάνουν την ισχύ του πομπού και/ή ρυθμίζουν τη συχνότητα λειτουργίας τους, γεγονός που συνεπάγεται περαιτέρω απώλειες απόδοσης και αυξάνει την παραγωγή θερμότητας.

Αυτή η κακή ευθυγράμμιση μπορεί να είναι ένα πολύ συνηθισμένο φαινόμενο, καθώς η πραγματική θέση της κεραίας λήψης στο τηλέφωνο δεν είναι πάντα διαισθητική ή προφανής για τον καταναλωτή που χρησιμοποιεί το τηλέφωνο. Επομένως, η ερευνητική ομάδα δοκίμασε τη φόρτιση τηλεφώνου με σκόπιμη εσφαλμένη ευθυγράμμιση των πηνίων πομπού και δέκτη.

Σύγκριση μεθόδων φόρτισης

Οι ερευνητές δοκίμασαν και τις τρεις μεθόδους φόρτισης (σύρμα, ευθυγραμμισμένη επαγωγική και μη ευθυγραμμισμένη επαγωγική) με ταυτόχρονη φόρτιση και θερμική απεικόνιση με την πάροδο του χρόνου για να δημιουργήσουν χάρτες θερμοκρασίας για να ποσοτικοποιήσουν τα εφέ θέρμανσης.

Στην περίπτωση του τηλεφώνου που φορτίζεται με συμβατική τροφοδοσία ρεύματος, η μέγιστη μέση θερμοκρασία που επιτεύχθηκε εντός 3 ωρών από τη φόρτιση δεν υπερέβη τους 27 ° C (80.6 ° F).

Αντίθετα, για το τηλέφωνο που φορτίζεται με ευθυγραμμισμένη επαγωγική φόρτιση, η θερμοκρασία κορυφώθηκε στους 30.5 ° C (86.9 ° F) αλλά σταδιακά μειώθηκε για το τελευταίο μισό της περιόδου φόρτισης. Αυτό είναι παρόμοιο με τη μέγιστη μέση θερμοκρασία που παρατηρείται κατά τη μη ευθυγραμμισμένη επαγωγική φόρτιση.

Στην περίπτωση εσφαλμένης επαγωγικής φόρτισης, η μέγιστη θερμοκρασία ήταν παρόμοιου μεγέθους (30.5 ° C (86.9 ° F)), αλλά αυτή η θερμοκρασία επιτεύχθηκε νωρίτερα και παρέμεινε για πολύ περισσότερο σε αυτό το επίπεδο (125 λεπτά έναντι 55 λεπτών για σωστά ευθυγραμμισμένη φόρτιση) .

Ανεξάρτητα από τον τρόπο φόρτισης, το δεξί άκρο του τηλεφώνου έδειξε υψηλότερο ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας από άλλες περιοχές του τηλεφώνου και παρέμεινε υψηλότερη καθ 'όλη τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης. Μια αξονική τομογραφία του τηλεφώνου έδειξε ότι αυτό το hotspot είναι το σημείο όπου βρίσκεται η μητρική πλακέτα.

Αξίζει επίσης να σημειωθεί το γεγονός ότι η μέγιστη ισχύς εισόδου στη βάση φόρτισης ήταν μεγαλύτερη στη δοκιμή όπου το τηλέφωνο δεν ήταν ευθυγραμμισμένο (11 watt) από το καλά ευθυγραμμισμένο τηλέφωνο (i watts). Αυτό οφείλεται στο ότι το σύστημα φόρτισης αυξάνει την ισχύ του πομπού σε εσφαλμένη ευθυγράμμιση προκειμένου να διατηρηθεί η ισχύς εισόδου στόχου στη συσκευή.

Η μέγιστη μέση θερμοκρασία της βάσης φόρτισης κατά τη φόρτιση σε κακή ευθυγράμμιση έφτασε τους 35.3 ° C (95.54 ° F), δύο βαθμούς υψηλότερη από τη θερμοκρασία που ανακάλυψαν οι ερευνητές όταν το τηλέφωνο ήταν ευθυγραμμισμένο, το οποίο πέτυχε 33 ° C (91.4 ° F). Αυτό είναι σύμπτωμα επιδείνωσης της απόδοσης του συστήματος, με επιπλέον παραγωγή θερμότητας που οφείλεται σε απώλειες ηλεκτρονικών ισχύος και ρεύματα.

Οι ερευνητές σημειώνουν ότι οι μελλοντικές προσεγγίσεις στον σχεδιασμό επαγωγικής φόρτισης μπορούν να μειώσουν αυτές τις απώλειες μεταφοράς και, συνεπώς, να μειώσουν τη θέρμανση, χρησιμοποιώντας πηνία υπεραττίνης, υψηλότερες συχνότητες και βελτιστοποιημένα ηλεκτρονικά κίνησης για να παρέχουν φορτιστές και δέκτες που είναι συμπαγείς και πιο αποδοτικοί και μπορούν να ενσωματωθούν σε κινητά συσκευές ή μπαταρίες με ελάχιστη αλλαγή.

Συμπερασματικά, η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι η επαγωγική φόρτιση, ενώ είναι βολική, πιθανότατα θα οδηγήσει σε μείωση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας του κινητού τηλεφώνου. Για πολλούς χρήστες, αυτή η υποβάθμιση μπορεί να είναι μια αποδεκτή τιμή για την ευκολία της φόρτισης, αλλά για όσους επιθυμούν τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από το τηλέφωνό τους, εξακολουθεί να συνιστάται η φόρτιση καλωδίου.

πηγή: Πανεπιστήμιο του Warwick