Los consumidores y fabricantes han aumentado su interés en esta cómoda tecnología de carga, llamada carga inductiva, abandonando la manipulación de enchufes y cables en favor de colocar el teléfono directamente sobre una base de carga.

La estandarización de las estaciones de carga y la inclusión de bobinas de carga inductiva en muchos de los nuevos teléfonos inteligentes ha conducido a una rápida y creciente adopción de esta tecnología. En 2017, 15 modelos de automóviles anunciaron la inclusión de consolas dentro de los vehículos para la carga inductiva de dispositivos electrónicos de consumo, como los teléfonos inteligentes, y a una escala mucho mayor, muchos lo están considerando para la carga de baterías de vehículos eléctricos.

Problemas con la carga inalámbrica

La carga inductiva permite que una fuente de energía transmita energía a través del aire, sin el uso de cables de conexión, pero uno de los principales problemas de este modo de carga es la cantidad de calor no deseado y potencialmente dañino que puede generar.

Existen varias fuentes de generación de calor asociadas a cualquier sistema de carga inductiva, tanto en el cargador como en el dispositivo que se está cargando. El hecho de que el dispositivo y la base de carga estén en estrecho contacto físico hace que este calentamiento adicional sea peor. La simple conducción y convección térmica puede transferir cualquier calor generado en un dispositivo al otro.

En un smartphone, la bobina de recepción de energía está cerca de la cubierta trasera del teléfono (que generalmente no es conductora de electricidad) y la pequeñez del espacio disponible dentro del teléfono requieren la colocación de la batería del teléfono y los componentes electrónicos de energía muy cerca, con pocas escapatorias para disipar el calor generado en el teléfono, o para proteger el teléfono del calor generado por el cargador.

Está bien documentado que las baterías envejecen más rápidamente cuando se almacenan a temperaturas elevadas y que la exposición a temperaturas más altas puede influir significativamente en el estado de salud (SoH) de las baterías a lo largo de su vida útil.

La regla general (o más técnicamente la ecuación de Arrhenuis) es que para la mayoría de las reacciones químicas, la velocidad de reacción se duplica con cada 10 °C de aumento de temperatura. En una batería, las reacciones que pueden ocurrir incluyen la tasa de crecimiento acelerado de películas pasivantes (una fina capa inerte que hace que la superficie debajo de la batería no sea reactiva) en los electrodos de la célula. Esto ocurre por medio de reacciones redox (reacciones de reducción-oxidación) de la célula, que aumentan irreversiblemente la resistencia interna de la célula, resultando en la degradación del rendimiento y el agotamiento. Una batería de iones de litio que se encuentre por encima de los 30 °C (86 °F), lo que se considera típicamente a una temperatura elevada, está expuesta a una vida útil más corta.

Las directrices de los fabricantes de baterías también especifican que el rango superior de temperatura de funcionamiento de sus productos no debe superar los 50-60 °C para evitar la generación de gas y los fallos totales, incluidas las explosiones.

Estos hechos llevaron a los investigadores a llevar a cabo experimentos comparando los aumentos de temperatura en la carga normal de la batería por cable con la carga inductiva. Sin embargo, los investigadores estaban más interesados en la carga inductiva cuando el consumidor desalinea el teléfono en la base de carga. Para compensar la mala alineación del teléfono y el cargador, los sistemas de carga inductiva normalmente aumentan la potencia del transmisor y/o ajustan su frecuencia de funcionamiento, lo que provoca más pérdidas de eficiencia y aumenta la generación de calor.

Esta desalineación puede ser un hecho muy común ya que la posición real de la antena receptora en el teléfono no siempre es intuitiva u obvia para el consumidor que usa el teléfono. Por lo tanto, el equipo de investigación también probó la carga del teléfono con una desalineación deliberada de las bobinas del transmisor y del receptor.

Comparación de los métodos de carga

Los investigadores probaron los tres métodos de carga (cable, inductivo alineado e inductivo desalineado) con carga simultánea e imágenes térmicas a lo largo del experimento para generar mapas de temperatura que ayuden a cuantificar los efectos del calentamiento.

En el caso del teléfono cargado con energía eléctrica convencional, la temperatura media máxima alcanzada dentro de las 3 horas de la carga no superó los 27 °C.

Por el contrario, para el teléfono cargado mediante carga inductiva alineada, la temperatura alcanzó un punto máximo de 30,5 °C , pero se redujo gradualmente durante la segunda mitad del período de carga. Esto es similar a la temperatura media máxima observada durante la carga inductiva desalineada.

En el caso de la carga inductiva desalineada, la temperatura máxima fue de magnitud similar (30,5 °C ), pero esta temperatura se alcanzó antes y persistió durante mucho más tiempo a este nivel (125 minutos frente a 55 minutos para una carga correctamente alineada).

Independientemente del modo de carga, el borde derecho del teléfono mostró una mayor tasa de aumento de la temperatura que otras áreas del teléfono y permaneció más caliente durante todo el proceso de carga. Una tomografía computerizada del teléfono mostró que este punto caliente es donde se encuentra la placa base.

También cabe destacar el hecho de que la potencia máxima de entrada a la base de carga fue mayor en la prueba en la que el teléfono estaba desalineado (11 vatios).

Esto se debe a que el sistema de carga aumenta la potencia del transmisor en caso de desalineación para mantener la potencia de entrada objetivo del dispositivo.

La temperatura media máxima de la base de carga durante la carga bajo desalineación alcanzó los 35,3 °C, dos grados más que la temperatura detectada por los investigadores cuando se alineó el teléfono, que alcanzó los 33 °C. Esto  muestra la pérdida de eficiencia del sistema, con una generación adicional de calor atribuible a las pérdidas de la electrónica de potencia y a las corrientes inducidas.

Los investigadores observan que los enfoques futuros del diseño de carga inductiva pueden disminuir estas pérdidas de transferencia y, por lo tanto, reducir el calentamiento, mediante el uso de bobinas ultrafinas, frecuencias más altas y electrónica optimizada para proporcionar cargadores y receptores que sean compactos y más eficientes y que puedan integrarse en dispositivos móviles o baterías con un cambio mínimo.

En conclusión, el equipo de investigación encontró que la carga inductiva, aunque cómoda, probablemente llevará a una reducción en la vida útil de la batería del teléfono móvil. Para muchos usuarios, esta degradación puede ser un precio aceptable por la comodidad de la carga, pero para aquellos que desean prolongar la vida útil de su teléfono, se recomienda seguir usando el cable.

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