تصميم بطارية ليثيوم لأجهزة wearable من نوع الرقعة بطارية MOTOMA للرقعة الذكية القابلة للارتداء

في تطوير الأجهزة القابلة للارتداء من نوع الرقعة - مثل أجهزة مراقبة الجلوكوز المستمرة، وأجهزة استشعار الجلد، والرقعات الطبية - غالبًا ما يتم التقليل من شأن البطارية، ومع ذلك فهي واحدة من أصعب المكونات لإتقانها. فهي لا تحدد عمر البطارية فحسب، بل أيضًا راحة الارتداء والسلامة والتصميم الميكانيكي العام للمنتج.

1. المساحة وعامل الشكل: يجب أن "تختفي" البطارية داخل المنتج

بالنسبة للمهندسين الميكانيكيين، فإن القيد الأول لجهاز الرقعة ليس السعة، بل المساحة.

تتطلب هذه المنتجات عادةً سمكًا إجماليًا أقل من 2 مم. يصعب دمج البطاريات الصلبة التقليدية وغالبًا ما تخلق إحساسًا ملحوظًا بجسم غريب على الجلد. ونتيجة لذلك، أصبحت بطاريات البوليمر الليثيوم فائقة النحافة أو البطاريات الصلبة المرنة الخيار المفضل. يمكن أن تنحني قليلاً مع الرقعة وتتوافق بشكل أفضل مع الجلد، مما يجعل الجهاز غير ملحوظ تقريبًا أثناء الارتداء.

من منظور التكامل، تتجه المزيد من التصاميم نحو التكامل العميق مع الدوائر المطبوعة المرنة (FPC). تساعد البطاريات المصغرة المتوافقة مع SMT، أو حتى تصميمات البطاريات المدمجة مباشرة في الدائرة المرنة، في تحقيق أقصى استفادة من المساحة المحدودة للغاية.

2. كثافة الطاقة ووقت التشغيل: تعظيم وقت التشغيل في حجم صغير

تتمتع أجهزة الرقعة عادةً باستهلاك متواضع للطاقة، لكن متطلبات وقت تشغيلها صارمة للغاية.

غالبًا ما تحتاج الرقع القابلة للاستخدام مرة واحدة إلى العمل باستمرار لمدة 7-14 يومًا، بينما تتطلب الرقع القابلة لإعادة الاستخدام عادةً 3-5 أيام من التشغيل بشحنة واحدة. وهذا يضع متطلبات عالية على كثافة الطاقة الحجمية، حيث تتجاوز الأهداف الصناعية عادةً 400-600 واط/لتر.

في الوقت نفسه، تعد تقنيات الاتصال منخفضة الطاقة مثل BLE وNFC معيارية. وهذا يجعل التفريغ الذاتي المنخفض مطلبًا رئيسيًا، مما يضمن أداءً متوقعًا ومستقرًا للبطارية خلال فترات الارتداء الطويلة.

3. استراتيجية إعادة الشحن: الشحن ليس الخيار الوحيد

ليست كل أجهزة الرقعة تتطلب بطاريات قابلة لإعادة الشحن.

بالنسبة لمنتجات المراقبة طويلة الأجل، تظل بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن الحل السائد، حيث يُتوقع عادةً أن يتجاوز عمر الدورة 500 دورة شحن-تفريغ. في المقابل، تستفيد بعض الرقع الطبية التي تستخدم لمرة واحدة من حلول البطاريات الأولية، التي تبسط تصميم النظام عن طريق التخلص من دوائر الشحن ومخاوف الاسترداد بعد الاستخدام.

في المنتجات الراقية، أصبح الشحن اللاسلكي عبر Qi أو NFC شائعًا بشكل متزايد. تؤدي إزالة الموصلات المادية إلى تحسين مقاومة الماء بشكل كبير، مما يسمح للتصاميم بالوصول إلى تصنيفات IP67 أو حتى IP68 - وهي ميزة مهمة للأجهزة التي يتم ارتداؤها باستمرار وتعرض للماء أثناء الاستخدام اليومي.

4. نطاق درجة الحرارة والإدارة الحرارية: حدود أمان غير مرئية

تعمل أجهزة الرقعة في بيئة محددة للغاية - اتصال مباشر بجسم الإنسان.

يجب أن تحافظ البطارية على خرج جهد مستقر في حدود 30 درجة مئوية إلى 42 درجة مئوية تقريبًا، بما يتوافق مع درجات حرارة سطح الجلد. أثناء الشحن، يُطلب عادةً أن يبقى ارتفاع درجة الحرارة أقل من 2 درجة مئوية لتجنب تهيج الجلد أو عدم الراحة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتحمل البطاريات ظروف التخزين والنقل التي تتراوح من -20 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية، مما يضع متطلبات إضافية على المواد وعمليات التصنيع.

5. السلامة والامتثال: خط أساس غير قابل للتفاوض

نظرًا لأن أجهزة الرقعة تظل على اتصال مباشر بالجلد لفترات طويلة، فلا يمكن المساس بسلامة البطارية.

يجب أن تجتاز مواد التغليف اختبارات التوافق الحيوي ISO 10993 لضمان عدم السمية وعدم التحسس. من منظور السلامة الميكانيكية، يجب ألا تشتعل البطارية أو تتسرب أو تفشل بشكل خطير عند تعرضها للضغط أو الانحناء أو الثقب العرضي - وهذا أحد الأسباب التي تجعل تقنيات الحالة الصلبة وشبه الصلبة تحظى بالاهتمام.

تعد دوائر الحماية فائقة الصغر ضرورية أيضًا لمنع الشحن الزائد والتفريغ الزائد والدوائر القصيرة، مما يضمن سلوكًا خاضعًا للتحكم في جميع ظروف التشغيل.

6. اتجاهات المواصفات النموذجية (نطاق مرجعي)

• نوع البطارية: بوليمر ليثيوم فائق النحافة / بطاريات صلبة مرنة أو رقيقة
• نطاق السمك: 0.4 مم - 1.5 مم
• الجهد الاسمي: 3.7 فولت - 3.85 فولت
• نطاق السعة: 10 مللي أمبير - 100 مللي أمبير (حسب الحجم)
• معايير السلامة: IEC 62133، UL 1642، UN 38.3
• تصنيف مقاومة الماء: IP67 / IP68 (حسب تصميم النظام)

في التطبيقات ذات متطلبات التكامل والسلامة العالية هذه، غالبًا ما تكون الخبرة الهندسية أكثر أهمية من المواصفات الفردية.

بطاريات البوليمر الليثيوم من MOTOMA تم تطبيقها على نطاق واسع في الأجهزة القابلة للارتداء من نوع الرقعة والأجهزة الطبية، مع العديد من حالات النجاح المثبتة. تقدم MOTOMA تصاميم مخصصة فائقة النحافة، وجودة إنتاج ضخم متسقة، ودعم شامل للسلامة وإصدار الشهادات. من التنسيق الميكانيكي في المراحل المبكرة إلى الإنتاج المستقر على نطاق واسع، تركز MOTOMA على المنظور الشامل للمنتج - لمساعدة العملاء على تحقيق حلول عملية وقابلة للتحقق توازن بين المساحة ووقت التشغيل والسلامة.