การชาร์จแบบไร้สายสามารถทำให้แบตเตอรี่โทรศัพท์ของคุณยุ่งเหยิงได้อย่างไร

นักวิจัยรายงาน การชาร์จโทรศัพท์ของคุณแบบไร้สายในขณะที่สะดวกมาก อาจทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB) ลดลง

ผู้บริโภคและผู้ผลิตต่างให้ความสนใจในเทคโนโลยีการชาร์จที่สะดวกสบายนี้ ซึ่งเรียกว่าการชาร์จแบบเหนี่ยวนำ โดยเลิกเล่นซอกับปลั๊กและสายเคเบิล แทนที่จะวางโทรศัพท์ไว้บนฐานชาร์จโดยตรง

การกำหนดมาตรฐานของสถานีชาร์จและการรวมคอยล์ชาร์จแบบเหนี่ยวนำในสมาร์ทโฟนใหม่หลายๆ รุ่น นำไปสู่การใช้เทคโนโลยีที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในปี 2017 รถยนต์ 15 รุ่นได้ประกาศรวมคอนโซลในรถยนต์เพื่อชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคแบบอุปนัย เช่น สมาร์ทโฟน และในระดับที่ใหญ่กว่ามาก หลายรุ่นกำลังพิจารณาเพื่อชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า

ปัญหาเกี่ยวกับการชาร์จแบบไร้สาย

การชาร์จแบบเหนี่ยวนำช่วยให้แหล่งพลังงานส่งพลังงานผ่านช่องว่างอากาศ โดยไม่ต้องใช้สายเชื่อมต่อ แต่ปัญหาหลักประการหนึ่งของโหมดการชาร์จนี้คือปริมาณความร้อนที่ไม่ต้องการและอาจสร้างความเสียหายได้

มีแหล่งความร้อนหลายแห่งที่เกี่ยวข้องกับระบบการชาร์จแบบอุปนัย—ทั้งในที่ชาร์จและอุปกรณ์ที่ชาร์จ ความจริงที่ว่าอุปกรณ์และฐานชาร์จอยู่ใกล้กันทำให้ความร้อนที่เพิ่มขึ้นนี้แย่ลง การนำความร้อนและการพาความร้อนอย่างง่ายสามารถถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์เครื่องหนึ่งไปยังอีกเครื่องหนึ่งได้


กราฟิกสมัครสมาชิกภายในตัวเอง


ในสมาร์ทโฟน ขดลวดรับพลังงานอยู่ใกล้กับฝาหลังของโทรศัพท์ (ซึ่งปกติแล้วจะไม่นำไฟฟ้า) และข้อจำกัดด้านบรรจุภัณฑ์จำเป็นต้องจัดวางแบตเตอรี่ของโทรศัพท์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังในบริเวณใกล้เคียง โดยมีโอกาสจำกัดในการกระจายความร้อนที่เกิดขึ้น โทรศัพท์หรือป้องกันโทรศัพท์จากความร้อนที่เครื่องชาร์จสร้างขึ้น

มีการบันทึกไว้เป็นอย่างดีว่าแบตเตอรี่มีอายุเร็วขึ้นเมื่อเก็บไว้ที่อุณหภูมิสูง และการสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงขึ้นสามารถส่งผลต่อสถานะสุขภาพ (SoH) ของแบตเตอรี่ได้อย่างมีนัยสำคัญตลอดอายุการใช้งาน

กฎทั่วไป (หรือในทางเทคนิคมากกว่าคือสมการอาร์เรนุส) คือสำหรับปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มเป็นสองเท่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นทุกๆ 10 °C (18 °F) ในแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาที่อาจเกิดขึ้นได้รวมถึงอัตราการเติบโตที่รวดเร็วของฟิล์มฟิล์ม (การเคลือบเฉื่อยบาง ๆ ทำให้พื้นผิวด้านล่างไม่ทำปฏิกิริยา) บนขั้วไฟฟ้าของเซลล์ สิ่งนี้เกิดขึ้นโดยปฏิกิริยารีดอกซ์ของเซลล์ ซึ่งเพิ่มความต้านทานภายในของเซลล์อย่างไม่สามารถย้อนกลับได้ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลงและล้มเหลวในที่สุด โดยทั่วไปแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่อยู่ที่อุณหภูมิสูงกว่า 30 °C (86 °F) ถือว่ามีอุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้แบตเตอรี่เสี่ยงต่ออายุการใช้งานที่สั้นลง

Guidelines battery manufacturers have issued also specify that the upper operational temperature range of their products should not surpass the 50?60 °C (122?140 °F) range to avoid gas generation and catastrophic failure.

ข้อเท็จจริงเหล่านี้ทำให้นักวิจัยทำการทดลองเปรียบเทียบอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในการชาร์จแบตเตอรี่ปกติด้วยสายไฟกับการชาร์จแบบอุปนัย อย่างไรก็ตาม นักวิจัยสนใจการชาร์จแบบอุปนัยมากกว่าเมื่อผู้บริโภควางโทรศัพท์บนฐานชาร์จไม่ตรง เพื่อชดเชยการวางตำแหน่งที่ไม่ดีของโทรศัพท์และที่ชาร์จ โดยทั่วไประบบการชาร์จแบบเหนี่ยวนำจะเพิ่มกำลังของเครื่องส่งสัญญาณและ/หรือปรับความถี่ในการทำงาน ซึ่งทำให้เกิดการสูญเสียประสิทธิภาพเพิ่มเติมและเพิ่มการสร้างความร้อน

ความคลาดเคลื่อนนี้อาจเกิดขึ้นได้บ่อยมาก เนื่องจากตำแหน่งที่แท้จริงของเสาอากาศรับสัญญาณในโทรศัพท์อาจไม่ได้เข้าใจได้ง่ายหรือชัดเจนสำหรับผู้บริโภคที่ใช้โทรศัพท์เสมอไป ทีมวิจัยจึงได้ทดสอบการชาร์จโทรศัพท์ด้วยการวางแนวของขดลวดตัวส่งและตัวรับโดยเจตนา

เปรียบเทียบวิธีการชาร์จ

นักวิจัยได้ทดสอบวิธีการชาร์จทั้งสามวิธี (แบบใช้สาย แบบอุปนัย และอุปนัยที่ไม่ตรงแนว) ด้วยการชาร์จและการถ่ายภาพความร้อนพร้อมกันในช่วงเวลาหนึ่ง เพื่อสร้างแผนที่อุณหภูมิเพื่อช่วยในการวัดผลความร้อน

ในกรณีของโทรศัพท์ที่ชาร์จด้วยไฟหลักแบบธรรมดา อุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุดภายใน 3 ชั่วโมงของการชาร์จไม่เกิน 27 °C (80.6 °F)

ในทางตรงกันข้าม สำหรับโทรศัพท์ที่ชาร์จโดยการชาร์จแบบเหนี่ยวนำ อุณหภูมิสูงสุดที่ 30.5 °C (86.9 °F) แต่ค่อยๆ ลดลงในช่วงครึ่งหลังของระยะเวลาการชาร์จ ซึ่งคล้ายกับอุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุดที่สังเกตได้ระหว่างการชาร์จแบบอุปนัยที่ไม่ตรงแนว

ในกรณีของการชาร์จแบบเหนี่ยวนำที่ไม่ตรงแนว อุณหภูมิสูงสุดมีขนาดใกล้เคียงกัน (30.5 °C (86.9 °F)) แต่อุณหภูมินี้ถึงเร็วกว่าและคงอยู่นานกว่ามากที่ระดับนี้ (125 นาทีเทียบกับ 55 นาทีสำหรับการชาร์จที่จัดตำแหน่งอย่างเหมาะสม) .

โดยไม่คำนึงถึงโหมดการชาร์จ ขอบด้านขวาของโทรศัพท์แสดงอัตราการเพิ่มอุณหภูมิที่สูงกว่าพื้นที่อื่นๆ ของโทรศัพท์และยังคงสูงกว่าตลอดกระบวนการชาร์จ การสแกน CT ของโทรศัพท์แสดงให้เห็นว่าฮอตสปอตนี้เป็นตำแหน่งของเมนบอร์ด

ที่น่าสังเกตอีกอย่างก็คือความจริงที่ว่ากำลังไฟฟ้าเข้าสูงสุดที่ฐานชาร์จนั้นมีค่ามากกว่าในการทดสอบโดยที่โทรศัพท์อยู่ผิดตำแหน่ง (11 วัตต์) มากกว่าโทรศัพท์ที่จัดตำแหน่งไว้อย่างดี (i วัตต์) เนื่องจากระบบการชาร์จจะเพิ่มกำลังของเครื่องส่งสัญญาณภายใต้แนวที่ไม่ตรง เพื่อรักษากำลังไฟฟ้าเข้าเป้าหมายไปยังอุปกรณ์

อุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุดของฐานชาร์จขณะชาร์จภายใต้แนวที่ไม่ตรงอยู่ที่ 35.3 °C (95.54 °F) ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิที่นักวิจัยตรวจพบเมื่อวางโทรศัพท์ไว้ 33 องศา ซึ่งทำได้ 91.4 °C (XNUMX °F) นี่เป็นอาการของการเสื่อมสภาพในประสิทธิภาพของระบบ โดยมีการสร้างความร้อนเพิ่มเติมเนื่องมาจากการสูญเสียอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและกระแสน้ำวน

นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าแนวทางในอนาคตในการออกแบบการชาร์จแบบอุปนัยสามารถลดการสูญเสียการถ่ายโอนเหล่านี้ และลดความร้อนโดยใช้ขดลวดบางเฉียบ ความถี่ที่สูงขึ้น และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไดรฟ์ที่ปรับให้เหมาะสมเพื่อจัดหาเครื่องชาร์จและตัวรับสัญญาณที่มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น และสามารถรวมเข้ากับมือถือได้ อุปกรณ์หรือแบตเตอรี่ที่มีการเปลี่ยนแปลงน้อยที่สุด

โดยสรุป ทีมวิจัยพบว่าการชาร์จแบบเหนี่ยวนำในขณะที่สะดวก อาจทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือลดลง สำหรับผู้ใช้หลายคน การเสื่อมสภาพนี้อาจมีราคาที่ยอมรับได้เพื่อความสะดวกในการชาร์จ แต่สำหรับผู้ที่ต้องการยืดอายุการใช้งานโทรศัพท์ให้ยาวนานที่สุด ขอแนะนำให้ชาร์จด้วยสายเคเบิล

ที่มา: มหาวิทยาลัยวอร์วิก