Crédit :Université de Warwick
Des chercheurs de WMG à l'Université de Warwick ont découvert que l'utilisation de la charge inductive, tout en étant très pratique, risque d'épuiser la durée de vie des téléphones portables utilisant des LIB (batteries lithium-ion) typiques
Les consommateurs et les fabricants ont accru leur intérêt pour cette technologie de charge pratique, abandonner la manipulation des prises et des câbles au profit de la simple mise en place du téléphone directement sur une base de chargement.
Standardisation des bornes de recharge, et l'inclusion de bobines de charge inductives dans de nombreux nouveaux smartphones a conduit à une adoption croissante de la technologie. En 2017, 15 modèles automobiles ont annoncé l'inclusion de consoles dans les véhicules pour charger par induction les appareils électroniques grand public, tels que les smartphones et à une échelle beaucoup plus grande, beaucoup l'envisagent pour recharger les batteries des véhicules électriques.
La charge inductive permet à une source d'alimentation de transmettre de l'énergie à travers un entrefer, sans utiliser de fil de connexion, mais l'un des principaux problèmes avec ce mode de charge est la quantité de chaleur indésirable et potentiellement dommageable qui peut être générée. Il existe plusieurs sources de génération de chaleur associées à tout système de charge inductive, à la fois dans le chargeur et dans l'appareil en cours de charge. Cet échauffement supplémentaire est aggravé par le fait que l'appareil et la base de charge sont en contact physique étroit, toute chaleur générée dans un appareil peut être transférée à l'autre par simple conduction thermique et convection.
Dans un smartphone, la bobine de réception d'alimentation est proche de la coque arrière du téléphone (qui est généralement électriquement non conductrice) et les contraintes d'emballage nécessitent le placement de la batterie du téléphone et de l'électronique de puissance à proximité, avec des possibilités limitées de dissiper la chaleur générée dans le téléphone, ou protégez le téléphone de la chaleur générée par le chargeur. Il a été bien documenté que les batteries vieillissent plus rapidement lorsqu'elles sont stockées à des températures élevées et que l'exposition à des températures plus élevées peut ainsi influencer de manière significative l'état de santé (SoH) des batteries au cours de leur durée de vie utile.
La règle empirique (ou plus techniquement l'équation d'Arrhenuis) est que pour la plupart des réactions chimiques, la vitesse de réaction double à chaque élévation de température de 10 °C. Dans une batterie, les réactions qui peuvent se produire incluent le taux de croissance accéléré des films de passivation (un mince revêtement inerte rendant la surface sous-jacente non réactive) sur les électrodes de la cellule. Cela se produit par le biais de réactions d'oxydoréduction cellulaire, qui augmentent de manière irréversible la résistance interne de la cellule, aboutissant finalement à une dégradation des performances et à des échecs. Une batterie au lithium-ion demeurant au-dessus de 30 °C est généralement considérée comme étant à température élevée, ce qui expose la batterie au risque d'une durée de vie utile réduite.
Les directives émises par les fabricants de batteries spécifient également que la plage de température de fonctionnement supérieure de leurs produits ne doit pas dépasser la plage de 50 à 60 °C pour éviter la génération de gaz et une défaillance catastrophique.
Ces faits ont conduit les chercheurs de WMG à mener des expériences comparant les élévations de température lors de la charge normale de la batterie par fil avec la charge inductive. Cependant, les WMG étaient encore plus intéressés par la charge inductive lorsque le consommateur désaligne le téléphone sur la base de charge. Pour compenser le mauvais alignement du téléphone et du chargeur, les systèmes de charge inductive augmentent généralement la puissance de l'émetteur et/ou ajustent leur fréquence de fonctionnement, ce qui entraîne des pertes d'efficacité supplémentaires et augmente la production de chaleur.
Ce désalignement peut être très fréquent car la position réelle de l'antenne de réception dans le téléphone n'est pas toujours intuitive ou évidente pour le consommateur utilisant le téléphone. L'équipe de recherche WMG a donc également testé la charge des téléphones avec un désalignement délibéré des bobines émettrices et réceptrices.
Les trois méthodes de charge (fil, inductif aligné et inductif désaligné) ont été testés avec une charge et une imagerie thermique simultanées au fil du temps pour générer des cartes de température pour aider à quantifier les effets de chauffage. Les résultats de ces expériences ont été publiés dans la revue ACS Energy Letters dans un article intitulé « Considérations relatives à la température pour le chargement des batteries Li-Ion :modes de charge inductifs par rapport au secteur pour les appareils électroniques portables ».
Les graphiques de ce communiqué de presse illustrent trois modes de charge, basé sur (a) une charge sur secteur (charge par câble) et une charge inductive lorsque les bobines sont (b) alignées et (c) mal alignées. Les panneaux i et ii montrent une vue réaliste des modes de charge avec un instantané des cartes thermiques du téléphone après 50 min de charge. Quel que soit le mode de charge, le bord droit du téléphone a montré un taux d'augmentation de température plus élevé que les autres zones du téléphone et est resté plus élevé tout au long du processus de charge. Un scanner du téléphone a montré que ce hotspot est l'endroit où se trouve la carte mère.
Il convient également de noter le fait que la puissance d'entrée maximale de la base de chargement était plus élevée dans le test où le téléphone était mal aligné (11 W) que le téléphone bien aligné (9,5 W). Cela est dû au fait que le système de charge augmente la puissance de l'émetteur en cas de désalignement afin de maintenir la puissance d'entrée cible vers l'appareil. La température moyenne maximale de la base de charge lors de la charge en cas de désalignement a atteint 35,3 °C, deux degrés de plus que la température détectée lors de l'alignement du téléphone, qui atteint 33 °C. Ceci est symptomatique de la détérioration de l'efficacité du système, avec une production de chaleur supplémentaire attribuable aux pertes de l'électronique de puissance et aux courants de Foucault.
Les chercheurs notent que les futures approches de la conception de charge inductive peuvent diminuer ces pertes de transfert, et ainsi réduire le chauffage, en utilisant des bobines ultrafines, fréquences plus élevées, et une électronique d'entraînement optimisée pour fournir des chargeurs et des récepteurs compacts et plus efficaces et pouvant être intégrés dans des appareils mobiles ou des batteries avec un minimum de changement.
En conclusion, l'équipe de recherche a découvert que la charge inductive, tout en étant pratique, entraînera probablement une réduction de la durée de vie de la batterie du téléphone mobile. Pour de nombreux utilisateurs, cette dégradation peut être un prix acceptable pour la commodité de la recharge, mais pour ceux qui souhaitent prolonger la durée de vie de leur téléphone, le chargement par câble est toujours recommandé.
