華威大學WMG的研究人員發現,使用感應充電雖然非常方便,卻有可能耗盡使用典型LIB(鋰離子電池)的手機的壽命。

消費者和製造商對這種便捷的充電技術越來越感興趣,放棄了對插頭和電纜的擺弄,而只是將手機直接放在充電座上。

手機無線充電


充電站的標準化以及在許多新的智能手機中包含感應充電線圈導致了該技術的迅速增加。 2017年,有15種汽車模型宣佈在車輛中包含控制台,以對智能手機等消費電子設備進行感應式充電-而且在更大的範圍內,許多人正在考慮為電動汽車電池充電。

感應充電使電源能夠在不使用連接線的情況下在氣隙中傳輸能量,但是這種充電方式的主要問題之一是會產生大量有害的有害熱量。任何感應充電系統都會產生多種熱源-在充電器和被充電的設備中。由於該設備和充電基座緊密地物理接觸,使得額外的加熱變得更糟,一個設備中產生的任何熱量都可以通過簡單的熱傳導和對流傳遞給另一個設備。

在智能手機中,受電線圈靠近電話的後蓋(通常是不導電的),並且包裝方面的限制使得必須將電話的電池和電力電子設備緊密放置,以散發電話中產生的熱量的機會有限,或使手機免受充電器產生的熱量的影響。有充分的文獻記載,當電池在高溫下存放時,其老化速度更快,因此,暴露於較高溫度下會在電池的整個使用壽命中嚴重影響其健康狀態(SoH)。

經驗法則(或更嚴格地說是Arrhenuis方程)是,對於大多數化學反應,溫度每升高10°C,反應速率就會加倍。在電池中,可能發生的反應包括電池電極上鈍化膜(較薄的惰性塗層,使下面的表面無反應性)的加速生長。這是通過電池氧化還原反應發生的,它不可逆地增加了電池的內阻,最終導致性能下降和故障。駐留在30°C以上的鋰離子電池通常被認為處於高溫下,使電池面臨使用壽命縮短的風險。

電池製造商發布的準則還規定,其產品的最高工作溫度範圍不應超過50–60°C範圍,以避免產生氣體和災難性故障。

這些事實促使WMG研究人員進行了實驗,將正常電池通過線充電與感應充電的溫度升高進行了比較。但是,當消費者在充電底座上未對準手機時,WMG對感應充電更加感興趣。為了補償電話和充電器的對準不良,感應充電系統通常會增加發射器功率和/或調整其工作頻率,這會導致進一步的效率損失並增加熱量的產生。

由於電話中接收天線的實際位置對於使用電話的消費者並不總是直觀或顯而易見的,因此這種未對準可能是非常常見的情況。因此,WMG研究小組還對電話充電過程中發射器和接收器線圈故意未對準的情況進行了測試。

測試了所有三種充電方法(導線,對準電感和未對準電感),並同時進行了充電和熱成像,以生成溫度圖,以幫助量化加熱效果。這些實驗的結果已發表在《 ACS Energy Letters》雜誌上,標題為“對鋰離子電池充電的溫度注意事項:便攜式電子設備的感應充電方式與市電充電方式”。

本新聞稿中的圖形說明了三種充電方式,它們基於(a)交流電源充電(電纜充電)和線圈(b)對齊和(c)未對齊時的感應充電。面板i和ii顯示充電模式的真實視圖,並帶有50分鐘充電後手機的熱圖快照。無論充電方式如何,手機的右邊緣都比手機的其他區域顯示出更高的溫度升高速率,並且在整個充電過程中保持較高的溫度升高率。手機的CT掃描顯示,該熱點是主板所在的位置:

  • 對於使用傳統市電充電的電話,充電後3個小時內達到的最高平均溫度不超過27°C。
  • 相比之下,對於通過對齊感應充電進行充電的手機,溫度在30.5°C達到峰值,但在充電時間的後半段逐漸降低。這類似於未對準感應充電期間觀察到的最高平均溫度。
  •  在未對準的感應充電的情況下,峰值溫度具有相似的幅度(30.5°C),但達到該溫度的時間更快,並且在此溫度下持續的時間更長(對於正確對準的充電,該時間為55分鐘,而相對於55分鐘)。


同樣值得注意的是,在手機未對準(11W)的情況下,充電底座的最大輸入功率要比對準良好的手機(9.5 W)更大。這是由於充電系統在未對準的情況下增加了發射器功率,以維持設備的目標輸入功率。未對準時充電時,充電座的最高平均溫度達到35.3°C,比對準手機時檢測到的最高溫度(33°C)高2度。這是系統效率下降的徵兆,由於功率電子器件的損耗和渦流會產生額外的熱量。

研究人員確實指出,未來的感應充電設計方法可以通過使用超薄線圈,更高的頻率和優化的驅動電子設備來提供緊湊和高效的充電器和接收器,從而可以減少這些傳遞損耗,從而減少發熱。移動設備或電池的變化很小。

總之,研究小組發現,感應充電雖然方便,但可能會縮短手機電池的壽命。對於許多用戶來說,為了方便充電,這種降級的價格可能是可以接受的,但是對於那些希望從手機中獲得最長使用壽命的用戶來說,仍然建議使用電纜充電。