Thermales Management beim drahtlosen Laden: Herausforderungen und Lösungen

Durch die Übertragung elektrischer Energie bei elektromagnetischer Induktion ohne direkten elektrischen Kontakt können wir mit drahtlosen Ladegeräten unsere Telefone, Uhren, Tablets, Kopfhörer und mehr ohne Kabelgewirr mit Strom versorgen. Da jedoch Verbraucher immer schnellere Ladevorgänge wünschen, wird das thermale Management wichtig, um Überhitzungsprobleme zu vermeiden, vor allem, da die elektronischen Geräte kleiner und mobiler werden.

Wodurch überhitzen sich kabellose Ladegeräte?

Drahtlose Ladegeräte verwenden elektromagnetische Induktion, um Energie von den Senderspulen im Ladegerät auf die Empfängerspulen im Gerät zu übertragen. Während des Aufladens können Sie feststellen, dass sowohl das Gerät als auch das Ladegerät sich warm anfühlen. Dies ist auf die Verlustleistung zurückzuführen, die durch elektromagnetische Verluste in den Komponenten des Ladegeräts verursacht wird, wodurch Wärme entsteht. 

Simulierter magnetischer Flussintensitätsvektor und Gesamtverlustverteilung einer drahtlos ladenden Smartwatch in Ansys Maxwell

Energieübertragung beim drahtlosen Laden

Elektrische Energie wird von der Senderspule eines Geräts in ein magnetisches Feld und von der Empfängerspule wieder zurück in elektrische Energie umgewandelt.

Um Energieverluste zu begrenzen und die Ladeeffizienz zu maximieren, ist eine korrekte Ausrichtung zwischen den Senderspulen und den Empfängerspulen erforderlich. Magnete im Ladegerät und im Empfänger geben dem Benutzer das Gefühl, dass das Gerät einrastet, wenn die richtige Ladeposition erreicht ist.

Thermische Herausforderungen bei drahtlosen Ladegeräten

Neben der Spulenausrichtung gibt es bei drahtlosen Ladegeräten weitere einzigartige thermische Probleme, die berücksichtigt werden müssen, um die Benutzersicherheit und die Geräteleistung zu gewährleisten.

Kompakte Bauweise: Durch die kleinen Gehäuse sind Optionen für die Integration von thermischen Kühlsystemen in Ladegeräten eingeschränkt.

Einhaltung von Standards: Um sicherzustellen, dass das Ladegerät innerhalb der sicheren Betriebsgrenze funktioniert (unter 44 °C als Schwelle für Schmerzen an der Haut), müssen die gesetzlichen Vorschriften eingehalten werden.

Variable Bedingungen: Durch Änderungen in Echtzeit wie Last und Umgebungstemperatur müssen drahtlose Ladegeräte sich stetig neu anpassen.

Strategien für effektives thermales Management

Die größten Herausforderungen beim thermalen Management von drahtlosen Ladegeräten ähneln denen anderer Elektronikgeräte – die Nachfrage nach schnelleren Ladevorgängen und kleineren Geräten. Verbraucher wünschen sich eine schnelle, bequeme Ladelösung, die auch in ihre Tasche passt. Um jedoch den Platzbedarf für Smartwatches oder andere kleine Unterhaltungselektronikgeräte gering zu halten, ist es nicht immer möglich, sperrige Kühllösungen wie Lüfter einzusetzen. Ingenieure halten bei der Entwicklung von platzsparenden Lösungen sichere thermische Schwellenwerte ein, indem sie alternative Kühlmethoden wie Folgende wählen.

Materialauswahl: Materialien auf Siliziumbasis haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Materialien auf Kunstharzbasis und verbessern so die Wärmeableitung zum Beispiel von Smartwatch-Gehäusen.

Anordnung von Komponenten: Die Komponentenanordnung und -dimensionierung lässt sich durch eine parametrische Translationsstudie optimieren, um eine Häufung wärmeerzeugender Komponenten an einem Ort zu verhindern.

Belüftung: Integration eines natürlichen oder erzwungenen Luftstroms um Komponenten herum, um Wärme abzuleiten und die thermische Kühlung zu fördern.

Wärmedämmung: Wärmeerzeugende Komponenten werden mit Materialien umgeben, die die Wärmeübertragung in angrenzende Bereiche minimieren.

Kühlkörper: Die Bereitstellung von Kanälen und Oberflächen kann dazu beitragen, Wärme durch thermische Lamellen von der Wärmequelle abzuleiten.

Analyse der Systemeffizienz: Die Systemleistung kann unter Berücksichtigung der magnetischen, thermischen und leistungselektronischen Aspekte drahtloser Ladegeräte ausgewertet werden, um dem Verbraucher ein schnelleres Ladeerlebnis zu ermöglichen.

Bei der Erwägung verschiedener Optionen für das thermale Management wie Materialauswahl, Komponentenanordnung und Gehäusetypen haben Konstrukteure eine große Auswahl. Mit Simulationen für die Konstruktion von drahtlosen Ladegeräten können Elektronikentwickler ihre Strategien für das thermale Management validieren und ihre Konstruktionen vor der Prototypenerstellung optimieren. Simulationssoftware wie Ansys Maxwell, Ansys Icepak und Ansys Granta können Konstrukteure dabei unterstützen, auszuwerten, wie sich jede Wahl in einer Vielzahl von Leistungsszenarien auf ihre Ziele auswirkt.  

Wie sieht die Zukunft des thermalen Managements für drahtlose Ladegeräte aus?

Durch die Kühlung unserer Geräte während des Ladevorgangs gewährleistet das thermale Management eine schnelle, effiziente Energieübertragung bei gleichzeitiger Wahrung der Sicherheit und Langlebigkeit unserer Elektronik. Innovationen zur Kühlung wie die unten aufgeführten unterstützen unseren aktiven Lebensstil und machen das kabellose Laden noch schneller und bequemer.

Kontinuierliches Laden: Verwendet Funkwellen, um Geräte zu laden, sobald diese sich innerhalb der Reichweite eines kabelgebundenen Ladegeräts befinden.

Integrierte Ladegeräte: Integrieren drahtloses Laden in jeden Aspekt unseres täglichen Lebens, einschließlich öffentlicher Verkehrsmittel und Möbel.

Universelle Standards: Sorgen für weltweite Kompatibilität, indem das Laden über verschiedene Gerätetypen und Hersteller hinweg für Benutzer nahtlos wird.

Erfahren Sie mehr in unserem On-Demand-Webinar "Die Kunst der Optimierung von Effizienz und thermischer Leistung in drahtlosen Ladegeräten".