Kredit:University of Warwick
Forskare vid WMG vid University of Warwick har funnit att användning av induktiv laddning, även om det är mycket bekvämt, riskerar att tömma livslängden på mobiltelefoner som använder typiska LIB:er (litiumjonbatterier)
Konsumenter och tillverkare har ökat sitt intresse för denna bekväma laddningsteknik, överge att tjata med kontakter och kablar till förmån för att bara ställa telefonen direkt på en laddningsbas.
Standardisering av laddstationer, och inkluderandet av induktiva laddningsspolar i många nya smartphones har lett till en snabbt ökande användning av tekniken. Under 2017, 15 bilmodeller tillkännagav införandet av konsoler i fordon för induktiv laddning av elektroniska apparater för konsumenter, som smartphones – och i mycket större skala, många överväger det för laddning av elbatterier.
Induktiv laddning gör det möjligt för en strömkälla att överföra energi över ett luftgap, utan användning av anslutningskabel men en av huvudfrågorna med detta laddningssätt är mängden oönskad och potentiellt skadlig värme som kan genereras. Det finns flera källor till värmealstring som är förknippade med alla induktiva laddningssystem – i både laddaren och enheten som laddas. Denna extra uppvärmning förvärras av det faktum att enheten och laddningsbasen har nära fysisk kontakt, all värme som alstras i en anordning kan överföras till den andra genom enkel värmeledning och konvektion.
I en smartphone, strömmottagningsspolen är nära telefonens baksida (vilket vanligtvis inte är elektriskt ledande) och förpackningsbegränsningar kräver placering av telefonens batteri och kraftelektronik i omedelbar närhet, med begränsade möjligheter att avleda värme som genereras i telefonen, eller skydda telefonen från värme som genereras av laddaren. Det är väldokumenterat att batterier åldras snabbare när de förvaras vid förhöjda temperaturer och att exponering för högre temperaturer på så sätt kan påverka batteriernas hälsotillstånd (SoH) avsevärt under deras livslängd.
Tumregeln (eller mer tekniskt Arrhenuis-ekvationen) är att för de flesta kemiska reaktioner, reaktionshastigheten fördubblas med varje 10 °C temperaturhöjning. I ett batteri, de reaktioner som kan inträffa inkluderar den accelererade tillväxthastigheten för passiverande filmer (en tunn inert beläggning som gör ytan undertill oreaktiv) på cellens elektroder. Detta sker genom cellredoxreaktioner, som irreversibelt ökar cellens inre motstånd, resulterar slutligen i prestandaförsämring och misslyckande. Ett litiumjonbatteri som ligger över 30 °C anses vanligtvis ha förhöjd temperatur vilket utsätter batteriet för risk för förkortad livslängd.
Riktlinjer utfärdade av batteritillverkare anger också att det övre driftstemperaturintervallet för deras produkter inte bör överstiga intervallet 50–60 °C för att undvika gasgenerering och katastrofala fel.
Dessa fakta fick WMG-forskare att utföra experiment som jämför temperaturökningarna vid normal batteriladdning via tråd med induktiv laddning. WMG var dock ännu mer intresserade av induktiv laddning när konsumenten felriktar telefonen på laddningsbasen. För att kompensera för dålig inriktning av telefonen och laddaren, induktiva laddningssystem ökar vanligtvis sändareffekten och/eller justerar deras driftsfrekvens, vilket medför ytterligare effektivitetsförluster och ökar värmeproduktionen.
Denna felinställning kan vara en mycket vanlig företeelse eftersom den faktiska positionen för mottagningsantennen i telefonen inte alltid är intuitiv eller uppenbar för konsumenten som använder telefonen. WMG -forskargruppen testade därför också telefonladdning med avsiktlig felriktning av sändar- och mottagarspolar.
Alla tre laddningsmetoderna (tråd, induktivt och felriktat induktivt) testades med samtidig laddning och termisk avbildning över tid för att generera temperaturkartor för att kvantifiera värmeeffekterna. Resultaten av dessa experiment har publicerats i tidskriften ACS Energy Letters i en artikel med titeln "Temperature Considerations for Charging Li-Ion Batteries:Inductive versus Mains Charging Modes for Portable Electronic Devices."
Grafiken med detta pressmeddelande illustrerar tre laddningsmetoder, baserat på (a) nätströmsladdning (kabelladdning) och induktiv laddning när spolar är (b) inriktade och (c) felriktade. Panelerna i och ii visar en realistisk bild av laddningslägena med en ögonblicksbild av telefonens termiska kartor efter 50 minuters laddning. Oavsett laddningssätt, telefonens högra kant visade en högre temperaturökningshastighet än andra delar av telefonen och förblev högre under hela laddningsprocessen. En datortomografi av telefonen visade att denna hotspot är där moderkortet finns.
Anmärkningsvärt var också det faktum att den maximala ingångseffekten till laddningsbasen var större i testet där telefonen var feljusterad (11W) än den välinriktade telefonen (9,5 W). Detta beror på att laddningssystemet ökar sändareffekten under felinställning för att bibehålla målinmatningseffekten till enheten. Den maximala medeltemperaturen för laddningsbasen under laddning under felinställning nådde 35,3 °C, två grader högre än temperaturen som upptäcktes när telefonen var inriktad, som uppnådde 33 ° C. Detta är ett symptom på försämring av systemets effektivitet, med ytterligare värmegenerering hänförlig till kraftelektronikförluster och virvelströmmar.
Forskarna noterar att framtida metoder för induktiv laddningsdesign kan minska dessa överföringsförluster, och därmed minska uppvärmningen, genom att använda ultratunna spolar, högre frekvenser, och optimerad drivelektronik för att tillhandahålla laddare och mottagare som är kompakta och effektivare och kan integreras i mobila enheter eller batterier med minimal förändring.
Sammanfattningsvis, forskargruppen fann att induktiv laddning, medan det är bekvämt, kommer sannolikt att leda till en minskning av livslängden för mobiltelefonbatteriet. För många användare, denna försämring kan vara ett acceptabelt pris för bekvämligheten med laddning, men för de som vill få ut det längsta livet från sin telefon, kabelladdning rekommenderas fortfarande.
