Hvordan du oplader din mobiltelefon kan kompromittere dens batterilevetid

Forskere ved WMG ved University of Warwick har fundet ud af, at brugen af ​​induktiv opladning, selv om det er meget praktisk, risikerer at opbruge levetiden for mobiltelefoner, der bruger typiske LIB'er (Lithium-ion-batterier)

Forbrugere og producenter har øget deres interesse for denne bekvemme opladningsteknologi, opgive at pille ved stik og kabler til fordel for blot at sætte telefonen direkte på en opladningsbase.

Standardisering af ladestandere, og inklusion af induktive ladespoler i mange nye smartphones har ført til en hastigt stigende anvendelse af teknologien. I 2017 15 bilmodeller annoncerede inkluderingen af ​​konsoller i køretøjer til induktiv opladning af elektroniske forbrugere, smartphones – og i meget større skala, mange overvejer det til opladning af elbilbatterier.

Induktiv opladning gør det muligt for en strømkilde at transmittere energi over et luftgab, uden brug af tilslutningsledning, men et af hovedproblemerne med denne opladningstilstand er mængden af ​​uønsket og potentielt skadelig varme, der kan genereres. Der er flere varmekilder forbundet med ethvert induktivt opladningssystem - både i opladeren og den enhed, der oplades. Denne ekstra opvarmning forværres af, at enheden og ladestationen er i tæt fysisk kontakt, al varme genereret i den ene enhed kan overføres til den anden ved simpel termisk ledning og konvektion.

I en smartphone, strømmodtagerspolen er tæt på telefonens bagcover (som normalt ikke er elektrisk ledende), og emballagebegrænsninger nødvendiggør placering af telefonens batteri og strømelektronik i umiddelbar nærhed, med begrænsede muligheder for at sprede varme genereret i telefonen, eller skærm telefonen mod varme genereret af opladeren. Det er veldokumenteret, at batterier ældes hurtigere, når de opbevares ved forhøjede temperaturer, og at eksponering for højere temperaturer således kan påvirke batteriernes sundhedstilstand (SoH) betydeligt over deres brugstid.

Tommelfingerreglen (eller mere teknisk Arrhenuis-ligningen) er, at for de fleste kemiske reaktioner, reaktionshastigheden fordobles med hver 10 °C temperaturstigning. I et batteri, de reaktioner, der kan forekomme, omfatter den accelererede væksthastighed af passiverende film (en tynd inert belægning, der gør overfladen nedenunder ureaktiv) på cellens elektroder. Dette sker ved celle-redox-reaktioner, som irreversibelt øger cellens indre modstand, resulterer i sidste ende i ydeevneforringelse og svigt. Et lithium-ion-batteri, der ligger over 30 °C, anses typisk for at have forhøjet temperatur, hvilket udsætter batteriet for risiko for en forkortet levetid.

Retningslinjer udstedt af batteriproducenter specificerer også, at det øvre driftstemperaturområde for deres produkter ikke bør overstige 50-60 °C området for at undgå gasdannelse og katastrofale fejl.

Disse fakta fik WMG-forskere til at udføre eksperimenter, der sammenlignede temperaturstigningerne ved normal batteriopladning via ledning med induktiv opladning. Men WMG var endnu mere interesseret i induktiv opladning, når forbrugeren justerer telefonen forkert på opladningsbasen. For at kompensere for dårlig justering af telefonen og opladeren, induktive ladesystemer øger typisk sendereffekten og/eller justerer deres driftsfrekvens, hvilket medfører yderligere effektivitetstab og øger varmeudviklingen.

Denne fejljustering kan være en meget almindelig hændelse, da den faktiske placering af modtagerantennen i telefonen ikke altid er intuitiv eller indlysende for forbrugeren, der bruger telefonen. WMG-forskerholdet testede derfor også telefonopladning med bevidst fejljustering af sender- og modtagerspoler.

Alle tre opladningsmetoder (ledning, justeret induktiv og forkert justeret induktiv) blev testet med samtidig opladning og termisk billeddannelse over tid for at generere temperaturkort for at hjælpe med at kvantificere varmeeffekterne. Resultaterne af disse eksperimenter er blevet offentliggjort i tidsskriftet ACS Energy Letters i en artikel med titlen "Temperature Considerations for Charging Li-Ion Batteries:Inductive versus Mains Charging Modes for Portable Electronic Devices."

Grafikken med denne pressemeddelelse illustrerer tre opladningsformer, baseret på (a) AC-netopladning (kabelopladning) og induktiv opladning, når spoler er (b) justeret og (c) forkert justeret. Panel i og ii viser et realistisk billede af opladningstilstandene med et øjebliksbillede af telefonens termiske kort efter 50 minutters opladning. Uanset opladningsmåden, telefonens højre kant viste en højere temperaturstigning end andre områder af telefonen og forblev højere under hele opladningsprocessen. En CT-scanning af telefonen viste, at dette hotspot er der, hvor bundkortet er placeret.

• I tilfælde af at telefonen er opladet med konventionel netstrøm, den maksimale gennemsnitstemperatur nået inden for 3 timer efter opladning oversteg ikke 27 °C.
• I modsætning hertil for telefonen opladet ved justeret induktiv opladning, temperaturen toppede ved 30,5 °C, men faldt gradvist i den sidste halvdel af opladningsperioden. Dette svarer til den maksimale gennemsnitstemperatur observeret under forkert justeret induktiv opladning.
• I tilfælde af forkert justeret induktiv opladning, spidstemperaturen var af samme størrelsesorden (30,5 °C), men denne temperatur blev nået hurtigere og varede meget længere på dette niveau (125 minutter mod 55 minutter for korrekt justeret opladning).

Bemærkelsesværdigt var også, at den maksimale indgangseffekt til opladningsbasen var større i testen, hvor telefonen var forkert justeret (11W) end den veljusterede telefon (9,5 W). Dette skyldes, at ladesystemet øger sendereffekten under fejljustering for at opretholde målindgangseffekten til enheden. Den maksimale gennemsnitstemperatur for opladningsbasen under opladning under fejljustering nåede 35,3 °C, to grader højere end den temperatur, der blev registreret, da telefonen blev justeret, som nåede 33 °C. Dette er symptomatisk for forringelse af systemets effektivitet, med yderligere varmeudvikling, der kan tilskrives strømelektroniktab og hvirvelstrømme.

Forskerne bemærker, at fremtidige tilgange til induktiv opladningsdesign kan mindske disse overførselstab, og dermed reducere opvarmningen, ved at bruge ultratynde spoler, højere frekvenser, og optimeret drevelektronik for at give opladere og modtagere, der er kompakte og mere effektive og kan integreres i mobile enheder eller batterier med minimal ændring.

Afslutningsvis, forskerholdet fandt, at induktiv opladning, mens det er praktisk, vil sandsynligvis føre til en reduktion af levetiden for mobiltelefonens batteri. For mange brugere, denne forringelse kan være en acceptabel pris for bekvemmeligheden ved opladning, men for dem, der ønsker at få det længste liv fra deres telefon, kabelopladning anbefales stadig.