Wie das kabellose Laden den Akku Ihres Telefons beschädigen kann

Wie das kabellose Laden den Akku Ihres Telefons beschädigen kann

Das kabellose Laden Ihres Telefons ist zwar äußerst praktisch, kann jedoch die Lebensdauer von Geräten mit typischen Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) beeinträchtigen.

Verbraucher und Hersteller haben ihr Interesse an dieser praktischen Ladetechnologie, dem so genannten induktiven Laden, geweckt und auf Stecker und Kabel verzichtet, um das Telefon einfach direkt auf eine Ladestation zu stellen.

Die Standardisierung von Ladestationen und die Integration induktiver Ladespulen in viele neue Smartphones haben zu einer schnell wachsenden Akzeptanz der Technologie geführt. In 2017 kündigten 15-Automodelle die Aufnahme von Konsolen in Fahrzeuge zum induktiven Laden von Geräten der Unterhaltungselektronik wie Smartphones an. In einem viel größeren Maßstab erwägen viele, sie zum Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge zu verwenden.

Probleme mit dem kabellosen Laden

Durch induktives Laden kann eine Stromquelle Energie über einen Luftspalt übertragen, ohne dass Verbindungskabel verwendet werden müssen. Eines der Hauptprobleme bei diesem Lademodus ist jedoch die Menge der unerwünschten und potenziell schädlichen Wärme, die sie erzeugen kann.

Mit jedem induktiven Ladesystem sind mehrere Wärmequellen verbunden - sowohl das Ladegerät als auch das Gerät laden. Die Tatsache, dass das Gerät und die Ladestation in engem physischen Kontakt stehen, verschlechtert diese zusätzliche Erwärmung. Durch einfache Wärmeleitung und Konvektion kann die in einem Gerät erzeugte Wärme auf das andere übertragen werden.

In einem Smartphone befindet sich die Stromempfangsspule in der Nähe der rückseitigen Abdeckung des Telefons (die normalerweise elektrisch nicht leitend ist). Aufgrund von Verpackungsbeschränkungen müssen der Akku und die Leistungselektronik des Telefons in unmittelbarer Nähe platziert werden, wobei nur begrenzte Möglichkeiten bestehen, die erzeugte Wärme abzuleiten das Telefon oder schützen Sie das Telefon vor Hitze, die das Ladegerät erzeugt.

Es ist gut dokumentiert, dass Batterien bei Lagerung bei erhöhten Temperaturen schneller altern und dass die Einwirkung höherer Temperaturen den Gesundheitszustand (SoH) von Batterien über ihre Nutzungsdauer erheblich beeinflussen kann.

Die Faustregel (oder genauer gesagt die Arrhenuis-Gleichung) lautet, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit für die meisten chemischen Reaktionen mit jedem Temperaturanstieg von 10 ° C (18 ° F) verdoppelt. In einer Batterie können folgende Reaktionen auftreten: Beschleunigtes Wachstum von Passivierungsfilmen (eine dünne inerte Beschichtung, die die Oberfläche unter der Zelle unreaktiv macht) auf den Elektroden der Zelle. Dies geschieht durch Zellredoxreaktionen, die den Innenwiderstand der Zelle irreversibel erhöhen und letztendlich zu Leistungseinbußen und -ausfällen führen. Bei Lithiumionenbatterien, die über 30 ° C (86 ° F) liegen, wird normalerweise davon ausgegangen, dass sie sich bei erhöhter Temperatur befinden, wodurch die Gefahr einer verkürzten Lebensdauer der Batterie besteht.

Die Richtlinien der Batteriehersteller legen außerdem fest, dass der obere Betriebstemperaturbereich ihrer Produkte den 50-60 ° C-Bereich (122-140 ° F) nicht überschreiten darf, um Gaserzeugung und katastrophale Ausfälle zu vermeiden.

Diese Tatsachen veranlassten die Forscher, Experimente durchzuführen, in denen die Temperaturerhöhungen bei der normalen Batterieladung über Kabel mit induktiver Ladung verglichen wurden. Die Forscher waren jedoch noch mehr an induktivem Laden interessiert, wenn der Verbraucher das Telefon an der Ladestation falsch ausrichtet. Um eine schlechte Ausrichtung des Telefons und des Ladegeräts zu kompensieren, erhöhen induktive Ladesysteme typischerweise die Sendeleistung und / oder passen ihre Betriebsfrequenz an, was zu weiteren Effizienzverlusten führt und die Wärmeerzeugung erhöht.

Diese Fehlausrichtung kann sehr häufig vorkommen, da die tatsächliche Position der Empfangsantenne im Telefon für den Verbraucher, der das Telefon verwendet, nicht immer intuitiv oder offensichtlich ist. Das Forscherteam testete daher auch das Aufladen von Telefonen mit absichtlicher Fehlausrichtung von Sender- und Empfängerspulen.

Lademethoden vergleichen

Die Forscher testeten alle drei Lademethoden (Draht, ausgerichtet, induktiv und fehlausgerichtet, induktiv) mit gleichzeitiger Aufladung und Wärmebildgebung über einen längeren Zeitraum, um Temperaturkarten zur Quantifizierung der Erwärmungseffekte zu erstellen.

Im Falle eines Telefons, das mit herkömmlicher Netzstromversorgung aufgeladen wurde, überschritt die maximale Durchschnittstemperatur, die innerhalb von 3 Stunden nach dem Aufladen erreicht wurde, 27 ° C (80.6 ° F) nicht.

Im Gegensatz dazu erreichte die Temperatur des Telefons, das durch ausgerichtetes induktives Laden aufgeladen wurde, einen Höchstwert von 30.5 ° C (86.9 ° F), verringerte sich jedoch in der zweiten Hälfte der Ladezeit allmählich. Dies ist vergleichbar mit der maximalen Durchschnittstemperatur, die während eines falsch ausgerichteten induktiven Ladens beobachtet wird.

Im Falle einer falsch ausgerichteten induktiven Aufladung war die Spitzentemperatur von ähnlicher Größe (30.5 ° C (86.9 ° F)), aber diese Temperatur wurde früher erreicht und hielt bei dieser Stufe viel länger an (125 Minuten gegenüber 55 Minuten für eine richtig ausgerichtete Aufladung). .

Unabhängig vom Lademodus zeigte die rechte Kante des Telefons eine höhere Temperaturanstiegsrate als andere Bereiche des Telefons und blieb während des gesamten Ladevorgangs höher. Ein CT-Scan des Telefons ergab, dass sich an diesem Hotspot das Motherboard befindet.

Bemerkenswert war auch die Tatsache, dass die maximale Eingangsleistung der Ladestation in dem Test, in dem das Telefon falsch ausgerichtet war (11 Watt), größer war als die des gut ausgerichteten Telefons (i Watt). Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Ladesystem die Sendeleistung bei Fehlausrichtung erhöht, um die Soll-Eingangsleistung für das Gerät aufrechtzuerhalten.

Die maximale Durchschnittstemperatur der Ladestation während des Ladevorgangs bei falscher Ausrichtung betrug 35.3 ° C (95.54 ° F) und war damit zwei Grad höher als die Temperatur, die die Forscher beim Ausrichten des Telefons festgestellt hatten. Dabei wurde 33 ° C (91.4 ° F) erreicht. Dies ist symptomatisch für eine Verschlechterung des Systemwirkungsgrades, wobei eine zusätzliche Wärmeerzeugung auf Leistungselektronikverluste und Wirbelströme zurückzuführen ist.

Die Forscher stellen fest, dass zukünftige Ansätze für induktives Ladedesign diese Übertragungsverluste verringern und somit die Erwärmung reduzieren können, indem ultradünne Spulen, höhere Frequenzen und eine optimierte Antriebselektronik verwendet werden, um Ladegeräte und Empfänger bereitzustellen, die kompakter und effizienter sind und in Mobiltelefone integriert werden können Geräte oder Batterien mit minimalem Wechsel.

Zusammenfassend stellte das Forscherteam fest, dass induktives Laden, obwohl es praktisch ist, wahrscheinlich zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Akkus des Mobiltelefons führt. Für viele Benutzer mag diese Verschlechterung ein akzeptabler Preis sein, um das Aufladen zu vereinfachen, aber für diejenigen, die die längste Lebensdauer ihres Telefons nutzen möchten, wird weiterhin das Aufladen über Kabel empfohlen.

Quelle: University of Warwick

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