Wie Sie Ihr Mobiltelefon aufladen, kann die Akkulaufzeit beeinträchtigen

2018-07-18 13:59:43

Forscher der WMG an der University of Warwick haben herausgefunden, dass die Verwendung von induktivem Laden zwar sehr praktisch ist, jedoch die Lebensdauer von Mobiltelefonen mit typischen LIBs (Lithium-Ionen-Batterien) verkürzen kann.

Verbraucher und Hersteller haben ihr Interesse an dieser praktischen Ladetechnologie geweckt und auf das Herumspielen mit Steckern und Kabeln verzichtet, um das Telefon direkt auf eine Ladestation zu stellen.

Die Standardisierung von Ladestationen und die Integration von induktiven Ladespulen in viele neue Smartphones hat zu einer rasch zunehmenden Akzeptanz der Technologie geführt. Im Jahr 2017 kündigten 15 Automodelle die Aufnahme von Konsolen in Fahrzeuge zum induktiven Laden von Unterhaltungselektronikgeräten wie Smartphones an - und in viel größerem Maßstab erwägen viele das Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge.

Durch induktives Laden kann eine Stromquelle Energie über einen Luftspalt übertragen, ohne dass ein Verbindungskabel verwendet werden muss. Eines der Hauptprobleme bei dieser Lademethode ist jedoch die Menge an unerwünschter und möglicherweise schädlicher Wärme, die erzeugt werden kann. Mit jedem induktiven Ladesystem sind mehrere Wärmeerzeugungsquellen verbunden - sowohl im Ladegerät als auch im zu ladenden Gerät. Diese zusätzliche Erwärmung wird durch die Tatsache verschlimmert, dass das Gerät und die Ladestation in engem physischen Kontakt stehen. Jegliche in einem Gerät erzeugte Wärme kann durch einfache Wärmeleitung und Konvektion auf das andere übertragen werden.

Bei einem Smartphone befindet sich die Stromempfangsspule in der Nähe der hinteren 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 die Möglichkeiten zur Ableitung der im Telefon erzeugten Wärme begrenzt sind oder schützen Sie das Telefon vor der vom Ladegerät erzeugten Hitze. 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 Lebensdauer erheblich beeinflussen kann.

Als Faustregel (oder technisch gesehen die Arrhenuis-Gleichung) gilt, dass sich bei den meisten chemischen Reaktionen die Reaktionsgeschwindigkeit mit jedem Temperaturanstieg um 10 ° C verdoppelt. In einer Batterie können die Reaktionen, die auftreten können, die beschleunigte Wachstumsrate von Passivierungsfilmen (eine dünne inerte Beschichtung, die die Oberfläche darunter unreaktiv macht) auf den Elektroden der Zelle umfassen. Dies geschieht durch Zellredoxreaktionen, die den Innenwiderstand der Zelle irreversibel erhöhen und letztendlich zu Leistungsabfall und Versagen führen. Eine Lithium-Ionen-Batterie, die über 30 ° C verweilt, hat typischerweise eine erhöhte Temperatur und setzt die Batterie dem Risiko einer verkürzten Lebensdauer aus.

Die von den Batterieherstellern herausgegebenen Richtlinien legen außerdem fest, dass der obere Betriebstemperaturbereich ihrer Produkte den Bereich von 50 bis 60 ° C nicht überschreiten darf, um Gaserzeugung und katastrophale Ausfälle zu vermeiden.

Diese Tatsachen veranlassten WMG-Forscher, Experimente durchzuführen, in denen die Temperaturerhöhungen beim normalen Laden von Batterien per Kabel mit induktivem Laden verglichen wurden. Die WMG waren jedoch noch mehr an induktivem Laden interessiert, wenn der Verbraucher das Telefon auf der Ladestation falsch ausrichtet. Um eine schlechte Ausrichtung des Telefons und des Ladegeräts auszugleichen, erhöhen induktive Ladesysteme typischerweise die Sendeleistung und / oder passen ihre Betriebsfrequenz an, was weitere Effizienzverluste verursacht und die Wärmeerzeugung erhöht.

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

Alle drei Lademethoden (Draht, ausgerichtete Induktivität und falsch ausgerichtete Induktivität) wurden mit gleichzeitiger Aufladung und Wärmebildgebung über die Zeit getestet, um Temperaturkarten zur Quantifizierung der Erwärmungseffekte zu erstellen. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden in der Zeitschrift ACS Energy Letters in einem Artikel mit dem Titel "Überlegungen zur Temperatur beim Laden von Li-Ionen-Batterien: Induktive versus Netzlademodi für tragbare elektronische Geräte" veröffentlicht.

Die Grafik in dieser Pressemitteilung zeigt drei Lademodi, basierend auf (a) Netzstromladung (Kabelladung) und induktivem Laden, wenn die Spulen (b) ausgerichtet und (c) falsch ausgerichtet sind. Die Felder i und ii zeigen eine realistische Ansicht der Lademodi mit einer Momentaufnahme der Wärmekarten des Telefons nach 50 Minuten Ladezeit. Unabhängig von der Art des Ladevorgangs zeigte der rechte Rand 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

Bei einem mit herkömmlichem Netzstrom aufgeladenen Telefon betrug die maximale Durchschnittstemperatur, die innerhalb von 3 Stunden nach dem Aufladen erreicht wurde, 27 ° C nicht.

Im Gegensatz dazu erreichte die Temperatur für das Telefon, das durch ausgerichtetes induktives Laden aufgeladen wurde, einen Höchstwert von 30,5 ° C, verringerte sich jedoch in der zweiten Hälfte der Ladezeit allmählich. Dies ähnelt der maximalen Durchschnittstemperatur, die während eines falsch ausgerichteten induktiven Ladens beobachtet wird.

Im Fall einer falsch ausgerichteten induktiven Ladung war die Spitzentemperatur von ähnlicher Größe (30,5 ° C), aber diese Temperatur wurde früher erreicht und blieb auf diesem Niveau viel länger bestehen (125 Minuten gegenüber 55 Minuten für richtig ausgerichtetes Laden).

Bemerkenswert war auch die Tatsache, dass die maximale Eingangsleistung der Ladestation in dem Test, in dem das Telefon falsch ausgerichtet war (11 W), größer war als das gut ausgerichtete Telefon (9,5 W). Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Ladesystem die Sendeleistung bei einer Fehlausrichtung erhöht, um die Zieleingangsleistung für das Gerät aufrechtzuerhalten. Die maximale Durchschnittstemperatur der Ladestation während des Ladevorgangs unter Fehlausrichtung erreichte 35,3 ° C, zwei Grad höher als die Temperatur, die beim Ausrichten des Telefons festgestellt wurde und 33 ° C erreichte. Dies ist symptomatisch für eine Verschlechterung der Systemeffizienz, wobei eine zusätzliche Wärmeerzeugung auf Leistungselektronikverluste und Wirbelströme zurückzuführen ist.

Die Forscher stellen fest, dass zukünftige Ansätze für das induktive Ladungsdesign diese Übertragungsverluste verringern und somit die Erwärmung verringern können, indem ultradünne Spulen, höhere Frequenzen und eine optimierte Antriebselektronik verwendet werden, um Ladegeräte und Empfänger bereitzustellen, die kompakt und effizienter sind und in die integriert werden können mobile 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 Mobiltelefonakkus führt. Für viele Benutzer mag diese Verschlechterung ein akzeptabler Preis für das bequeme Aufladen sein, aber für diejenigen, die die längste Lebensdauer ihres Telefons erreichen möchten, wird das Aufladen des Kabels weiterhin empfohlen.