¿Por qué no podemos inyectar una tonelada de energía en un teléfono a la vez para cargarlo instantáneamente? ¿Es eso demasiado peligroso o simplemente no es posible?

Con un teléfono existente … peligroso. Bueno, primero, tendría que construir su propio circuito de carga de batería y evitar el circuito de carga de batería en el teléfono. Debido a que todos los teléfonos, tabletas, computadoras portátiles, etc. contienen sus propios circuitos de carga de batería como parte de su circuito de administración de energía general (sí, lo que conecta a la pared y llama un “cargador” es solo una fuente de alimentación), no No importa cuánta corriente disponible haya, su teléfono solo dibujará lo que está diseñado para dibujar.

Ahora, parte de eso, como sucede hoy en su teléfono, es reconocer la realidad: sin recurrir a una fuente de alimentación de carga especial que pueda ofrecer voltajes más altos, nada de lo que se carga a través de USB en estos días recibe mucho más de 2A. Mi teléfono tiene una batería de 3000 mAh, lo que significa que a 2 A, lo más rápido que puede cargar cualquier batería de 3000 mA es 1,5 horas.

Ahora, ¿qué pasa si te digo que mi teléfono realmente se carga en aproximadamente una hora en mi automóvil? El truco que hay en muchos teléfonos Android hoy en día se llama Quick Charge. Ese es un protocolo de Qualcomm patentado que tenía una llave de alimentación y un teléfono que habla entre sí y decide si el teléfono puede tomar un voltaje más alto. En realidad, no puede ejecutar una corriente más alta, porque más corriente = más calor, y el cable USB que está utilizando probablemente solo tenga una potencia de aproximadamente 1.8A (y sí, el suministro de carga podría entregar un poco más … el calor generado es un un poco de fudge factor, hasta cierto punto). Pero demasiada corriente en un cable y el cable se derretirá.

Entonces, mi teléfono pide un poco más de voltaje, todavía está recibiendo alrededor de 1.5-2.0A de corriente, pero la potencia total = voltaje x corriente. Eso pasa por el cable USB, en el teléfono, donde el sistema de administración de energía cambia ese 9V o 12V o lo que sea a alrededor de 4.3V a 3A en la batería, al menos como promedio durante esa hora. Cargue una batería de 3000 mAh durante una hora a 3000 mA (= 3 A) y su carga dura una hora.

En la carga de la batería, que 3000mAhr es la capacidad, C, de la batería. Cuando cargo esa batería durante una hora, la estoy cargando a 1C. Cada batería recargable se basa en algún tipo de conversión química a eléctrica reversible. Lleva algún tiempo entregar carga al / del almacenamiento de energía química de esa batería. Podría ser la química de la batería, podría ser el medio de distribuir electricidad hacia / desde la batería, podrían ser los materiales reales de los terminales de la batería, el ánodo y el cátodo, los que limitan la velocidad de carga o descarga.

Trabajé en automóviles R / C y robótica durante diez años. Teníamos algunas baterías que al menos momentáneamente podían suministrar una salida de 30C-40C … eso sería 90-120A para la batería de mi teléfono. Y esa misma batería podía cargarse hasta a 4 ° C, aunque eso requería monitoreo térmico. La alimentación de energía a una batería más rápido puede calentar los terminales, la batería en sí, y eso es malo. Lo malo a largo plazo es que envejece la batería más rápido. Lo malo a corto plazo es que el calentamiento desbocado puede provocar explosiones, esa parte peligrosa que mencioné. Entonces el cargador tiene que controlar la temperatura. Lo encontrarás para cualquier carga rápida. Mi automóvil híbrido está recibiendo 100 A o más a 200 V y almacena la mayor cantidad de energía posible lo más rápido posible … el circuito de carga tiene enfriamiento activo y monitoreo de temperatura. Tengo un sistema de batería de 80V para una motosierra y un desmalezador … la celda de iones de litio se carga en 1/2 hora (2C), y tiene un ventilador activo todo el tiempo, con monitoreo de temperatura, y se apagará en un momento Cuarto caliente.

Sin embargo, las baterías de automóviles R / C, automóviles híbridos y motosierras están diseñadas para ofrecer un alto pico de salida, porque el tipo de trabajo que realizan es “pico”. Los teléfonos inteligentes, por otro lado, son bastante estables en su uso de energía, por lo que las baterías están más optimizadas para la longevidad. A largo plazo, las mejoras en un factor a menudo conducen a mejoras en otro, pero no todas a la vez.

Entonces, incluso para manejar la carga 4C en mi teléfono a través de USB, ¿qué necesitaría? Esa sería una corriente de carga de 12 A más un poco, ya que la carga de iones de litio no es una corriente constante durante todo el ciclo. Solo obtengo 2A de un cable USB 2.0 y eso lo empuja, así que eso significa que necesitaría aumentar el voltaje. Técnicamente, solo necesito 4.3V para cargar, así que eso es un mínimo de 52W, y por lo menos 26V. Lo mejor que puede obtener de QuickCharge es 20V, y eso es QC3.0 … Solo tengo QC2.0.

Si fuera a USB Type C y USB Power Delivery, podría hacer esto. En primer lugar, puedo obtener 3A sobre un cable tipo C normal, lo que reduce el voltaje mínimo necesario a 17.3V. Solo necesito un cableado de 20ga desde la batería al circuito de carga para 12A, por lo que también es factible. Los componentes de 4.3V del circuito de carga: choques, FET, etc. tendrían que transportar cuatro veces la corriente habitual, por lo que serían cuatro veces más grandes … lo que podría terminar siendo un problema para el tamaño del teléfono. Y tendría más problemas para enfriar las baterías, aunque no tengo una hoja de especificaciones frente a mí para saber si esto necesitaría ayuda del caso. Actualmente trabajo en sistemas de radio digital … la mayoría de nuestros sistemas tienen cajas de metal con aletas para disipar el calor de las radios de 1W. Pero la RF es mucho menos eficiente que la carga de la batería.

De todos modos, en teoría, podría obtener una carga de 15 minutos en un teléfono con la tecnología actual, aunque podría resultar en un teléfono más grande y posiblemente exigir algún tipo de aletas de enfriamiento.

Yendo aún más rápido que eso, te estás metiendo en algo que descartaría tanto USB como fuente de alimentación y algo que cabría dentro de un teléfono. Tenga en cuenta que el tipo de voltaje más alto me permite “hacer trampa”. Debido a que siempre tengo una corriente relativamente baja en el exterior, puedo aumentar el voltaje, obtener más energía en el dispositivo y luego usar un convertidor reductor para cambiar el voltaje por la corriente. Pero eventualmente, incluso ese convertidor reductor podría ser demasiado grande para caber en un teléfono.

Y no existe la carga instantánea, siempre va a necesitar algo de tiempo, es solo física. Y a medida que se reduce ese tiempo, cualquier otro problema se agrava.

Al parecer, mucho más grande! Echemos un vistazo a 1,5 minutos ya que acabamos de hacer 15, eso es 40C de carga. Entonces su batería se está cargando a 4.3V y 120A, o 520W. Su única opción real para eso es enchufarlo directamente a la alimentación de CA, 120 / 220V, que reduciría 120VCA a 4.3A a 4.3V a 120A. Encontré algunos MOSFET que manejarían esto, y no son exactamente del tamaño de un teléfono inteligente. ¡Pero el estrangulador necesario para una fuente de alimentación reductora que entrega 120A está fuera de este mundo!

Entonces, aparte de eso, tendríamos que tomar una página del automóvil ecléctico y hacer las cosas de manera diferente. Cuando conecta su EV a 120V o 220V, el cargador, como el de su teléfono, está en el dispositivo, en el automóvil. Pero si desea una carga realmente rápida, como el Supercharger de Tesla o un cargador CHAdeMO, está haciendo una conexión directa de CC a la batería, y la carga es en realidad un cargador que incluye una fuente de alimentación de CC administrada externamente. Ese cargador de CC es muy inteligente … lee el perfil de la batería de su automóvil, por lo que sabe que esa batería necesita, lo que puede tomar y no explotar, pequeñas cosas como esa. Debido a que esta gran cantidad de energía al mismo tiempo puede hacer que las cosas exploten fácilmente. Eso es cierto para un Tesla y es cierto para el “sobrealimentador” que desea para su teléfono.

Entonces, para entregar su 120A y obtener esa dulce, dulce carga de 1.5 minutos, necesitará dos contactos directos a su batería, cada uno esencialmente un cable de calibre 1. Son dos puntos de aproximadamente 7.3 mm en la parte posterior de su teléfono, tal vez un poco más grande para lidiar con el hecho de que su base de carga rápida no tendrá un contacto perfecto, habrá alguna pérdida y no querrá que las cosas se pongan todas melty en ti

es posible? Supongo que podría ser, aunque todavía no conozco ninguna batería de 40C lista para usar con el teléfono celular. ¿Y alguien realmente renunciaría a la carga fácil en USB, que como señalé podría llegar a una carga práctica de 15 minutos en algún momento, para tener que lidiar con contactos de alimentación gigantescos y una base de carga personalizada solo para obtener rellenos de 1,5 minutos ?

La solución más práctica, por supuesto, sería tener la batería extraíble y colocar los contratos de carga rápida directamente en ella, ya que la batería necesita contactos, y eso mantiene el metal pesado fuera del teléfono, que nunca va a necesitar extraiga 40C de la batería, a menos que los teléfonos de la próxima generación decidan agregar armas de energía como característica. Ese cargador externo permitiría enfriar durante la carga, un monitoreo más cuidadoso de la batería, otras cosas con las que no desea aumentar el volumen de su teléfono. Y ni siquiera tendría que esperar los 1.5 minutos, simplemente coloque una batería nueva, lo mismo que hago con mi motosierra.

Y mi telefono. Mira … mi LG V10 ya tiene un llenado de 1.5 minutos: se llama cambio de batería (algo en lo que también están trabajando para autos eléctricos). Saco una batería, la dejo en el cargador externo que tengo en mi cocina y pongo la que estaba en mi cargador externo en mi teléfono. En realidad, un poco menos de 1,5 minutos, y realmente no me importa cuánto tiempo tarda ese cargador de pared (aproximadamente tres horas) en llenar esa batería agotada.

Y, sin embargo, casi todas las principales compañías de teléfonos inteligentes han optado por baterías fijas. De hecho, han eliminado la recarga de 1,5 minutos; han decidido que un cambio de batería y una recarga de 1,5 minutos simplemente no es un factor crítico en los teléfonos. Y dado que este mismo mecanismo de intercambio de batería se usa en cámaras, herramientas eléctricas, etc., es casi imposible afirmar que la gente no sabía sobre esto, o que no es un “truco” en otras industrias.

Veo lo que está manejando aquí y, en resumen, el pensamiento es muy sólido, sin embargo, hay una serie de obstáculos técnicos que superar.

La idea básica es que para cargar la batería se introduce una corriente inversa. Esto revierte los elementos químicos dentro de la batería (casi) al estado original; finalmente, el proceso será ineficaz debido a una degradación severa y la batería no se cargará. Tenga en cuenta ese último hecho porque va a ser importante.

Cada vez que pasas corriente a través de cualquier cosa, estás pasando poder de facto; Vatios = Amperios X Voltios y aumentar A o V necesariamente aumenta W.

Los vatios son un Joule por segundo y, como sabrán, es una medida de energía. Entonces, de hecho, lo que estamos vertiendo en la batería es un vigorizante de energía, y no todo se convierte en energía eléctrica útil; parte de esto se traduce en calor residual. Cuanto más se calienta la batería, más se degrada y, en el caso del litio, es muy fácil hacer que se incendien si se hinchan y se rompen.

Por lo tanto, la corriente en la carga se controla cuidadosamente para que la batería sufra daños mínimos en cada ciclo de recarga. Si solo vertiéramos una gran corriente allí, dañaríamos la batería más allá de su uso, y de hecho podríamos prenderle fuego.

Encontrará esto en todos los esfuerzos eléctricos / electrónicos. Solo hay tanto voltaje y tanta corriente que puedes empujar de un lado a otro antes de que algo explote y se convierta en una pantalla interesante de pirotecnia, y es por eso que no podemos simplemente meter “una tonelada de energía en un teléfono a la vez” para cargar Al instante.

El flujo de carga eléctrica es actual. Si la velocidad de flujo de esta carga es alta, mayor será la corriente. Para acumular la carga completa de la batería al instante, tenemos que pasarle una gran corriente al instante. Esto no es posible ya que cuanto mayor sea la corriente, más se necesita el tamaño del conductor. Por lo tanto, existe una limitación para establecer la calificación actual de los cargadores móviles. Puede ver ranuras de 1 amperio, 2 amperios en bancos de energía. (Amperio es la unidad de corriente eléctrica). La ranura de 2 amperios carga el teléfono más rápido que 1 amperio.

Espero que esto ayude.

Editar: una batería de 3000 mAh se carga completamente del 0% en 3 horas, si se carga a través de un cargador de 1 amperio. 3000mAh es en realidad 3000mA (1A = 1000mA) por hora.

Bien.

Si el circuito se diseñó o se omitió para permitirlo, puede intentarlo. Pero, probablemente se sobrecalentaría y se incendiaría. Las baterías en los teléfonos están diseñadas para ser densas en energía y no densas en energía.

Energía densa se refiere a la cantidad total de energía que puede contener.

El poder denso se refiere a la cantidad total de poder que puede entregar a la vez.

Tenemos baterías de alta potencia que se pueden cargar de forma segura en aproximadamente 4 minutos. El problema es que si una de estas baterías de alta densidad de energía se cambiara por las de alta energía utilizadas en los teléfonos, la duración de la batería sería mucho más corta.

Por lo tanto, la mayoría de las baterías de los teléfonos están diseñadas para cargarse más lentamente para que puedan almacenar más energía en general.

Además, el equipo necesario para cargar una batería del tamaño de un teléfono en 4 minutos costaría tanto como un teléfono barato.

En cuanto a la carga más rápida, como la instantánea, solo puede cargar las baterías con la rapidez con que están diseñadas. Si lo intentas por momentos que se acercan instantáneamente, terminarás vaporizando partes de la batería, lo que sería seguido por una llama intensa.

Probablemente sean posibles tiempos de carga un poco más rápidos de lo diseñado, siempre que pueda mantener la batería fría, pero degradará significativamente la vida útil de la batería.

¿Alguna vez has visto a alguien usar un martillo para subir el peso del reloj del abuelo?

¿Has visto una montaña rusa siendo enviada a su punto más alto usando un canon?

¿Alguna vez has tratado de vaciar violenta y rápidamente un vaso de leche en otro?

Supongo que no.

Porque implican un choque mecánico. En todos estos ejemplos, estamos convirtiendo energía e intentando almacenarla.

Mientras que hacer esto es importante ser causalmente amable.

¡Debido a que somos demasiado rápidos y las cosas impetuosas se romperán o la leche podría salpicar!

Lo mismo con las baterías. Si se envía demasiada carga, habrá demasiadas pérdidas resistivas en muy poco tiempo.

¡El calor no escapará lo suficientemente rápido y tendremos una calefacción loca! ¡Y bum!

Puedes cargar tan rápido o tan lento como quieras. Sin embargo, el calor daña las baterías más rápido que (casi) cualquier otra cosa, cuanto más rápido cargue, más calor aplicará a la batería y, a menos que pueda enfriar la batería, más corta será su vida útil.

La carga más rápida realmente no es necesaria. La mayoría de las personas duerme por c. 8 horas por noche, que es MUCHO tiempo para que su teléfono se cargue por completo, de forma lenta, segura y conveniente.

Personalmente, desearía que mi iPhone fuera 0,5 mm más grueso y unos pocos gramos más pesado, a cambio de una mejor duración de la batería.

Es un poco de ambos en la actualidad. Una batería todavía tiene toneladas de energía y almacenamiento de energía en comparación con hace solo diez años, pero solo puede recargar la composición química a una velocidad específica. Lleva tiempo llenarlos y energizarlos de manera segura. Sin embargo, un condensador puede inyectarse muy rápidamente y tener una gran capacidad como una batería. No somos expertos en tecnología para que sean confiables, seguros y tengan una vida similar a la de una batería. Un condensador también puede descargarse muy rápidamente y regular esa energía requiere circuitos adicionales y no podemos igualar eso con la eficiencia que podemos tener con una batería en este momento. Todo esto y la investigación adicional, el diseño de circuitos, el diseño de la placa lógica y otros cambios simplemente no son factibles cuando ya tenemos una alternativa probada y segura.

Existe un límite en cuanto a la rapidez con que se puede cargar una batería, cuanto más rápido intente cargar una batería, más energía se perderá en forma de calor. Con suficiente energía, la batería se calentará mucho y podría explotar o incendiarse (incendiarse). Tenga en cuenta que cualquier energía que se convierte en calor no es energía que entra en la carga de la batería, por lo que hay un punto en el que la mayor parte de la energía se va a calentar en lugar de cargar la batería, por lo que en lugar de cargar la batería, en realidad solo la está cocinando .

Como sabes que no puedes presionar todos los botones de los teclados a la vez para escribir una letra al instante,

Usted necesita formatearlo y editarlo mientras revisa sus palabras, simplemente no puede hacerlo “instantáneamente” de una vez.

Por lo tanto, para inyectar toneladas de energía para cargar instantáneamente su teléfono, necesitará tener toneladas de capacidad de alimentación en su teléfono

Las celdas de la batería no están diseñadas para recibir una afluencia masiva de energía como esa. Las baterías producen calor cuando la electricidad viaja dentro y fuera de ellas. Si ejecuta demasiada energía al mismo tiempo, es probable que freír las células.