من كابلات الشحن إلى الأجهزة القابلة للارتداء المدركة للطاقة - مستقبل أنظمة تخزين الطاقة المرنة

من أكثر الشكاوى شيوعًا بين مستخدمي الأجهزة القابلة للارتداء شكوى بسيطة على نحو مفاجئ: فنادرًا ما يفي عمر البطارية بوعد الذكاء الذي يدوم طوال اليوم.

سواء كان الجهاز رقعة صحية ذكية، أو سماعة طبية مدعومة بالذكاء الاصطناعي، أو سوارًا لتتبع اللياقة، أو خاتمًا ذكيًا، أو جهاز مراقبة طبيًا، أو نظارات واقع معزز، أو جلدًا إلكترونيًا، أو مستشعرًا صناعيًا قابلًا للارتداء، يوازن المهندسون باستمرار بين ثلاثة متطلبات متنافسة:

• منتجات أصغر وأخف وزنًا
• مدة تشغيل أطول
• مزيد من المستشعرات والاتصال اللاسلكي ومعالجة الذكاء الاصطناعي

بالنسبة إلى مصممي المنتجات ومصنّعي الإلكترونيات، تزداد صعوبة تكييف بُنى الطاقة التقليدية مع الأجهزة فائقة النحافة والمرنة والمتوافقة مع شكل الجسم. وقد سرّع هذا التحدي الاهتمام بأنظمة تخزين الطاقة المرنة التي تجمع بين حصاد الطاقة وتخزينها في منصة متكاملة واحدة.

في MOTOMA، نرى بانتظام فرق تطوير تبحث عن حلول بطاريات لا تلائم المنتجات القابلة للارتداء المدمجة فحسب، بل تدعم أيضًا مفاهيم مستقبلية مثل الإلكترونيات ذاتية التغذية، والشاشات المرنة، والاستشعار الحيوي، والمراقبة الصحية المستمرة.

لماذا وصلت حلول الطاقة التقليدية إلى حدودها

تعتمد معظم المنتجات القابلة للارتداء اليوم على بطاريات ليثيوم قابلة لإعادة الشحن بسعات تتراوح من 50mAh إلى 1000mAh. وتشمل منصات الجهد الشائعة خلايا ليثيوم بوليمر بجهد 3.7V و3.8V و3.85V و3.87V و3.88V.

على الرغم من أن هذه البطاريات توفر كثافة طاقة ممتازة، فإن مصنّعي الأجهزة يواجهون عدة تحديات:

قد تستخدم الساعة الذكية بطارية بسعة 150mAh أو 300mAh، بينما تحتاج النظارات الذكية غالبًا إلى حزم بطاريات بسعة 500mAh إلى 1000mAh. ويمكن أن تتراوح الأجهزة الطبية القابلة للارتداء من بطاريات دقيقة بسعة 100mAh إلى وحدات بطاريات خارجية قابلة للارتداء بسعة 5000mAh وفقًا لمدة التشغيل.

المفهوم الكامن وراء حصاد الطاقة المرن وتخزينها

يتمثل نهج جديد آخذ في الظهور في مختبرات الأبحاث وبرامج الإلكترونيات الاستهلاكية المتقدمة في دمج تقنية الخلايا الكهروضوئية العضوية (OPV) مع البطاريات المرنة القابلة لإعادة الشحن.

بدلًا من الاعتماد حصريًا على كابلات الشحن أو قواعد الشحن، يمكن للأجهزة القابلة للارتداء جمع الطاقة المحيطة باستمرار مع تخزين الطاقة الفائضة لاستخدامها لاحقًا.

تتكون البنية عمومًا من:

• وحدات كهروضوئية عضوية مرنة
• دوائر فائقة النحافة لإدارة الطاقة
• أنظمة بطاريات مرنة قابلة لإعادة الشحن
• وحدات اتصال لاسلكي منخفضة الاستهلاك للطاقة
• أنظمة ذكية لإدارة البطارية

والنتيجة هي منصة لحصاد الطاقة وتخزينها قادرة على إطالة مدة التشغيل مع تقليل وتيرة الشحن.

تقنية الخلايا الكهروضوئية العضوية في الأجهزة القابلة للارتداء

على خلاف الألواح الشمسية التقليدية الصلبة المصنوعة من السيليكون، تتميز الوحدات الكهروضوئية العضوية بخفة الوزن وقابلية الانحناء وملاءمتها للدمج في المنتجات القابلة للارتداء.

يمكن للمهندسين دمج مواد OPV في:

• الملابس الذكية
• أساور اللياقة
• الرقع الطبية
• سماعات الواقع المعزز والواقع الافتراضي
• أجهزة السلامة الصناعية القابلة للارتداء
• أجهزة الجلد الإلكتروني
• حقائب الظهر الذكية ومعدات الأنشطة الخارجية

في ظروف الإضاءة الداخلية، تستطيع وحدات OPV توليد طاقة إضافية تساعد على تشغيل المستشعرات منخفضة الاستهلاك، ووحدات اتصال Bluetooth، وأنظمة المراقبة البيئية.

تقنيات البطاريات المرنة للإلكترونيات القابلة للارتداء

لا يمكن لحصاد الطاقة وحده توفير خرج طاقة مستقر. لذلك يظل مكوّن التخزين ضروريًا.

يجري حاليًا تقييم عدة تقنيات للبطاريات لاستخدامها في أنظمة تخزين الطاقة المرنة.

بالنسبة إلى المنتجات التجارية التي تدخل الإنتاج الكمي اليوم، تظل بطاريات الليثيوم بوليمر المخصصة الحل الأكثر عملية بفضل كثافة الطاقة ونضج التصنيع ومرونة التصميم.

معلمات البطارية الشائعة في الأجهزة القابلة للارتداء

بحسب متطلبات المنتج، قد تستخدم الإلكترونيات القابلة للارتداء منصات جهد وسعات مختلفة.

اعتبارات تصميم يجب على المهندسين عدم تجاهلها

عند دمج أنظمة تخزين الطاقة المرنة في الإلكترونيات القابلة للارتداء، لا تمثل سعة البطارية سوى جزء واحد من المعادلة.

ينبغي لفرق الهندسة أيضًا تقييم:

• متطلبات نصف قطر الانحناء
• قيود سماكة البطارية
• نطاق درجة حرارة التشغيل
• كفاءة الشحن
• متطلبات عمر دورات الشحن
• الطلب على الطاقة للاتصال اللاسلكي
• الموثوقية الميكانيكية أثناء الانثناء المتكرر
• متطلبات شهادات السلامة

في كثير من مشاريع الأجهزة القابلة للارتداء، توفر البطارية المصممة بشكل مخصص غالبًا كفاءة أعلى للنظام مقارنة بمحاولة تركيب بطارية قياسية داخل هيكل غير منتظم.

مجالات التطبيق المحتملة

يتوسع الجمع بين حصاد الطاقة وتخزينها إلى ما يتجاوز الإلكترونيات الاستهلاكية.

تشمل التطبيقات الحالية والناشئة:

• أجهزة مراقبة المرضى عن بُعد
• أنظمة المراقبة المستمرة للجلوكوز
• أجهزة اللياقة والرياضة القابلة للارتداء
• منصات الواقع المعزز والنظارات الذكية
• المنسوجات الإلكترونية
• المعدات العسكرية القابلة للارتداء
• أنظمة سلامة العاملين في الصناعة
• رقع المراقبة البيئية
• الخوذات الذكية ومعدات الحماية
• أجهزة واجهة الإنسان والآلة

ما الذي يعنيه ذلك لمصنّعي المنتجات

مع ازدياد نحافة الإلكترونيات القابلة للارتداء وذكائها واتصالها، تتطور بنية الطاقة من حزمة بطارية مستقلة إلى منظومة طاقة متكاملة.

من غير المرجح أن يعتمد المستقبل على حصاد الطاقة وحده. بل إن الحل الأكثر عملية يجمع بين جمع الطاقة المرن، والإدارة الذكية للطاقة، وتقنية البطاريات القابلة لإعادة الشحن والمخصصة.

بالنسبة إلى مصنّعي OEM وODM الذين يطورون الجيل التالي من الأجهزة القابلة للارتداء، فإن اختيار شريك البطاريات المناسب مبكرًا في مرحلة التصميم يمكن أن يبسط بدرجة كبيرة تكامل المنتج، والتصميم الميكانيكي، واعتماد السلامة، وتوسيع نطاق الإنتاج.

الأسئلة الشائعة

1. ما نظام تخزين الطاقة المرن؟

يجمع نظام تخزين طاقة مرن بين البطاريات القابلة للانحناء وتقنيات حصاد الطاقة لتوفير الطاقة للأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء والمحمولة.

2. هل يمكن للوحدات الكهروضوئية العضوية أن تحل محل البطاريات بالكامل؟

لا. توفر الوحدات الكهروضوئية العضوية طاقة إضافية، بينما تظل البطاريات ضرورية لتوصيل طاقة مستقرة وتخزين الطاقة.

3. لماذا تُستخدم بطاريات الليثيوم بوليمر على نطاق واسع في الأجهزة القابلة للارتداء؟

توفر بطاريات الليثيوم بوليمر كثافة طاقة عالية، وأشكالًا قابلة للتخصيص، وبنية خفيفة الوزن، وتوافقًا مع التصاميم الإلكترونية المدمجة.

4. ما جهد البطارية الشائع في الأجهزة القابلة للارتداء؟

تشمل منصات الجهد الشائعة 3.7V و3.8V و3.85V و3.87V و3.88V. وقد تستخدم الأنظمة القابلة للارتداء الأكبر حزم بطاريات بجهد 7.4V أو 11.1V أو 14.8V.

5. ما نطاق السعة المعتاد للإلكترونيات القابلة للارتداء؟

تتراوح السعات من أقل من 50mAh في الخواتم الذكية إلى أكثر من 5000mAh في المعدات الصناعية القابلة للارتداء وأنظمة الحوسبة المحمولة.

6. هل بطاريات أيونات الزنك مناسبة للتطبيقات القابلة للارتداء؟

توفر بطاريات أيونات الزنك خصائص جذابة من حيث السلامة والمرونة، ما يجعلها مناسبة لبعض التطبيقات الطبية والقابلة للارتداء، رغم أن بطاريات الليثيوم بوليمر تهيمن حاليًا على الإنتاج التجاري.

7. ما خيارات التخصيص المتاحة لبطاريات الأجهزة القابلة للارتداء؟

يمكن للمصنّعين تخصيص أبعاد البطارية وسماكتها وجهدها وسعتها ودوائر الحماية والموصلات وأطوال الأسلاك وبروتوكولات الاتصال والتغليف الميكانيكي وفقًا لمتطلبات المنتج.