Crédito:University of Warwick
Pesquisadores da WMG da Universidade de Warwick descobriram que o uso de carga indutiva, embora altamente conveniente, corre o risco de esgotar a vida útil de telefones celulares usando LIBs (baterias de íon de lítio) típicas
Consumidores e fabricantes aumentaram seu interesse nesta tecnologia de carregamento conveniente, abandonar a manipulação de plugues e cabos em favor de apenas configurar o telefone diretamente em uma base de carregamento.
Padronização de estações de carregamento, e a inclusão de bobinas de carregamento indutivo em muitos novos smartphones levou ao rápido aumento da adoção da tecnologia. Em 2017, 15 modelos de automóveis anunciaram a inclusão de consoles nos veículos para carregar indutivamente dispositivos eletrônicos de consumo, como smartphones - e em uma escala muito maior, muitos o estão considerando para carregar baterias de veículos elétricos.
O carregamento indutivo permite que uma fonte de energia transmita energia através de um entreferro, sem o uso de fio de conexão, mas um dos principais problemas com esse modo de carregamento é a quantidade de calor indesejado e potencialmente prejudicial que pode ser gerado. Existem várias fontes de geração de calor associadas a qualquer sistema de carregamento indutivo - tanto no carregador quanto no dispositivo sendo carregado. Este aquecimento adicional é agravado pelo fato de que o dispositivo e a base de carregamento estão em contato físico próximo, qualquer calor gerado em um dispositivo pode ser transferido para o outro por simples condução térmica e convecção.
Em um smartphone, a bobina de recepção de energia está perto da tampa traseira do telefone (que geralmente não é eletricamente condutiva) e as restrições de embalagem exigem a colocação da bateria do telefone e dos componentes eletrônicos de energia nas proximidades, com oportunidades limitadas de dissipar o calor gerado no telefone, ou proteja o telefone do calor gerado pelo carregador. Está bem documentado que as baterias envelhecem mais rapidamente quando armazenadas em temperaturas elevadas e que a exposição a temperaturas mais altas pode, portanto, influenciar significativamente o estado de saúde (SoH) das baterias durante sua vida útil.
A regra prática (ou mais tecnicamente a equação de Arrhenuis) é que, para a maioria das reações químicas, a taxa de reação dobra a cada aumento de 10 ° C na temperatura. Em uma bateria, as reações que podem ocorrer incluem a taxa de crescimento acelerada de filmes passivantes (uma fina camada inerte que torna a superfície embaixo não reativa) nos eletrodos da célula. Isso ocorre por meio de reações redox celulares, que aumentam irreversivelmente a resistência interna da célula, em última análise, resultando em degradação de desempenho e falha. Uma bateria de íon de lítio com permanência acima de 30 ° C é normalmente considerada em temperatura elevada, expondo a bateria ao risco de uma vida útil reduzida.
As diretrizes emitidas pelos fabricantes de baterias também especificam que a faixa superior de temperatura operacional de seus produtos não deve ultrapassar a faixa de 50 a 60 ° C para evitar a geração de gás e falha catastrófica.
Esses fatos levaram os pesquisadores do WMG a realizar experimentos comparando os aumentos de temperatura no carregamento normal da bateria por fio com o carregamento indutivo. No entanto, o WMG estava ainda mais interessado na cobrança indutiva quando o consumidor desalinhava o telefone na base de carregamento. Para compensar o mau alinhamento do telefone e do carregador, sistemas de carregamento indutivo normalmente aumentam a potência do transmissor e / ou ajustam sua frequência de operação, que incorre em mais perdas de eficiência e aumenta a geração de calor.
Esse desalinhamento pode ser uma ocorrência muito comum, pois a posição real da antena receptora no telefone nem sempre é intuitiva ou óbvia para o consumidor que usa o telefone. A equipe de pesquisa do WMG, portanto, também testou o carregamento do telefone com desalinhamento deliberado das bobinas do transmissor e do receptor.
Todos os três métodos de carregamento (fio, indutivo alinhado e indutivo desalinhado) foram testados com carregamento simultâneo e imagens térmicas ao longo do tempo para gerar mapas de temperatura para ajudar a quantificar os efeitos do aquecimento. Os resultados desses experimentos foram publicados na revista ACS Energy Letters em um artigo intitulado "Considerações de temperatura para carregar baterias de íons de lítio:modos de carregamento indutivo versus principal para dispositivos eletrônicos portáteis".
Os gráficos com este comunicado de imprensa ilustram três modos de carregamento, com base em (a) carregamento da rede CA (carregamento do cabo) e carregamento indutivo quando as bobinas estão (b) alinhadas e (c) desalinhadas. Os painéis i e ii mostram uma visão realista dos modos de carregamento com um instantâneo dos mapas térmicos do telefone após 50 min de carregamento. Independentemente do modo de carregamento, a borda direita do telefone apresentou uma taxa de aumento de temperatura mais alta do que outras áreas do telefone e permaneceu mais alta durante o processo de carregamento. Uma tomografia computadorizada do telefone mostrou que esse ponto de acesso é onde a placa-mãe está localizada.
Destaca-se também o fato de que a potência máxima de entrada para a base de carregamento foi maior no teste em que o fone estava desalinhado (11W) do que no fone bem alinhado (9,5 W). Isso ocorre porque o sistema de carregamento aumenta a potência do transmissor sob desalinhamento, a fim de manter a potência de entrada desejada para o dispositivo. A temperatura média máxima da base de carregamento durante o carregamento sob desalinhamento atingiu 35,3 ° C, dois graus acima da temperatura detectada quando o telefone foi alinhado, que atingiu 33 ° C. Isso é sintomático de deterioração da eficiência do sistema, com geração adicional de calor atribuível a perdas eletrônicas de potência e correntes parasitas.
Os pesquisadores observam que abordagens futuras para o projeto de carga indutiva podem diminuir essas perdas de transferência, e assim reduzir o aquecimento, usando bobinas ultrafinas, frequências mais altas, e eletrônica de unidade otimizada para fornecer carregadores e receptores que são compactos e mais eficientes e podem ser integrados em dispositivos móveis ou baterias com troca mínima.
Para concluir, a equipe de pesquisa descobriu que o carregamento indutivo, embora conveniente, provavelmente levará a uma redução na vida útil da bateria do telefone móvel. Para muitos usuários, esta degradação pode ser um preço aceitável para a conveniência de cobrança, mas para aqueles que desejam prolongar a vida útil de seu telefone, o carregamento do cabo ainda é recomendado.
