Από τα καλώδια φόρτισης στα ενεργειακά έξυπνα wearables - Το μέλλον των εύκαμπτων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας

Ένα από τα πιο συνηθισμένα παράπονα των χρηστών φορετών συσκευών είναι εκπληκτικά απλό: η διάρκεια ζωής της μπαταρίας σπάνια ανταποκρίνεται στην υπόσχεση έξυπνης λειτουργίας όλη την ημέρα.

Είτε πρόκειται για ένα έξυπνο επίθεμα υγείας, ακουστικό βαρηκοΐας με AI, fitness tracker, έξυπνο δαχτυλίδι, ιατρική συσκευή παρακολούθησης, γυαλιά AR, ηλεκτρονικό δέρμα ή βιομηχανικό φορετό αισθητήρα, οι μηχανικοί εξισορροπούν διαρκώς τρεις ανταγωνιστικές απαιτήσεις:

• Μικρότερα και ελαφρύτερα προϊόντα
• Μεγαλύτερος χρόνος λειτουργίας
• Περισσότεροι αισθητήρες, ασύρματη συνδεσιμότητα και επεξεργασία AI

Για τους σχεδιαστές προϊόντων και τους κατασκευαστές ηλεκτρονικών, οι παραδοσιακές αρχιτεκτονικές τροφοδοσίας γίνονται ολοένα δυσκολότερο να προσαρμοστούν σε εξαιρετικά λεπτές, εύκαμπτες συσκευές που εφαρμόζουν στο σώμα. Η πρόκληση αυτή έχει επιταχύνει το ενδιαφέρον για εύκαμπτα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας που συνδυάζουν τη συλλογή και την αποθήκευση ενέργειας σε μία ενιαία πλατφόρμα.

Στη MOTOMA, βλέπουμε συχνά ομάδες ανάπτυξης να αναζητούν λύσεις μπαταριών που όχι μόνο χωρούν σε συμπαγή φορετά προϊόντα, αλλά υποστηρίζουν και μελλοντικές ιδέες όπως αυτοτροφοδοτούμενα ηλεκτρονικά, εύκαμπτες οθόνες, βιομετρική ανίχνευση και συνεχή παρακολούθηση της υγείας.

Γιατί οι παραδοσιακές λύσεις τροφοδοσίας φτάνουν στα όριά τους

Τα περισσότερα φορετά προϊόντα σήμερα βασίζονται σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου χωρητικότητας από 50mAh έως 1000mAh. Οι συνήθεις πλατφόρμες τάσης περιλαμβάνουν στοιχεία πολυμερούς λιθίου 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V και 3.88V.

Παρότι αυτές οι μπαταρίες προσφέρουν εξαιρετική ενεργειακή πυκνότητα, οι κατασκευαστές συσκευών αντιμετωπίζουν αρκετές προκλήσεις:

Ένα smartwatch μπορεί να χρησιμοποιεί μπαταρία 150mAh ή 300mAh, ενώ τα έξυπνα γυαλιά συχνά απαιτούν συστοιχίες 500mAh έως 1000mAh. Οι ιατρικές φορετές συσκευές μπορεί να κυμαίνονται από μικρομπαταρίες 100mAh έως εξωτερικές φορετές μονάδες μπαταρίας 5000mAh, ανάλογα με τη διάρκεια λειτουργίας.

Η ιδέα πίσω από την εύκαμπτη συλλογή και αποθήκευση ενέργειας

Μια νέα προσέγγιση που αναδύεται σε ερευνητικά εργαστήρια και προηγμένα προγράμματα καταναλωτικών ηλεκτρονικών είναι η ενσωμάτωση τεχνολογίας οργανικών φωτοβολταϊκών (OPV) με εύκαμπτες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.

Αντί να βασίζονται αποκλειστικά σε καλώδια ή βάσεις φόρτισης, οι φορετές συσκευές μπορούν να συλλέγουν συνεχώς ενέργεια από το περιβάλλον και να αποθηκεύουν την πλεονάζουσα ενέργεια για μεταγενέστερη χρήση.

Η αρχιτεκτονική αποτελείται συνήθως από:

• Εύκαμπτες οργανικές φωτοβολταϊκές μονάδες
• Υπερλεπτά κυκλώματα διαχείρισης ενέργειας
• Εύκαμπτα συστήματα επαναφορτιζόμενων μπαταριών
• Μονάδες ασύρματης επικοινωνίας χαμηλής κατανάλωσης
• Έξυπνα συστήματα διαχείρισης μπαταρίας

Το αποτέλεσμα είναι μια πλατφόρμα συλλογής και αποθήκευσης ενέργειας που μπορεί να παρατείνει τον χρόνο λειτουργίας και να μειώσει τη συχνότητα φόρτισης.

Τεχνολογία οργανικών φωτοβολταϊκών σε φορετές συσκευές

Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά άκαμπτα ηλιακά πάνελ πυριτίου, οι οργανικές φωτοβολταϊκές μονάδες είναι ελαφριές, εύκαμπτες και κατάλληλες για ενσωμάτωση σε φορετά προϊόντα.

Οι μηχανικοί μπορούν να ενσωματώσουν υλικά OPV σε:

• Έξυπνα ρούχα
• Βραχιόλια fitness
• Ιατρικά επιθέματα
• Headsets AR και VR
• Βιομηχανικά φορετά μέσα ασφάλειας
• Συσκευές ηλεκτρονικού δέρματος
• Έξυπνα σακίδια και εξοπλισμό υπαίθριων δραστηριοτήτων

Σε συνθήκες εσωτερικού φωτισμού, οι μονάδες OPV μπορούν να παράγουν συμπληρωματική ενέργεια που βοηθά στη λειτουργία αισθητήρων χαμηλής ισχύος, μονάδων επικοινωνίας Bluetooth και συστημάτων περιβαλλοντικής παρακολούθησης.

Τεχνολογίες εύκαμπτων μπαταριών για φορετά ηλεκτρονικά

Η συλλογή ενέργειας από μόνη της δεν μπορεί να παρέχει σταθερή ισχύ εξόδου. Ένα στοιχείο αποθήκευσης παραμένει απαραίτητο.

Αρκετές τεχνολογίες μπαταριών αξιολογούνται σήμερα για εύκαμπτα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.

Για εμπορικά προϊόντα που περνούν σήμερα σε μαζική παραγωγή, οι εξατομικευμένες μπαταρίες πολυμερούς λιθίου παραμένουν η πιο πρακτική λύση χάρη στην ενεργειακή πυκνότητα, την ωριμότητα της παραγωγής και την ευελιξία σχεδιασμού τους.

Συνήθεις παράμετροι μπαταρίας σε φορετές συσκευές

Ανάλογα με τις απαιτήσεις του προϊόντος, τα φορετά ηλεκτρονικά μπορούν να χρησιμοποιούν διαφορετικές πλατφόρμες τάσης και χωρητικότητες.

Παράμετροι σχεδιασμού που οι μηχανικοί δεν πρέπει να αγνοούν

Κατά την ενσωμάτωση εύκαμπτων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας σε φορετά ηλεκτρονικά, η χωρητικότητα της μπαταρίας είναι μόνο ένα μέρος της εξίσωσης.

Οι ομάδες μηχανικών θα πρέπει επίσης να αξιολογούν:

• Απαιτήσεις ακτίνας κάμψης
• Περιορισμούς πάχους μπαταρίας
• Εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας
• Απόδοση φόρτισης
• Απαιτήσεις διάρκειας ζωής κύκλων
• Απαιτήσεις ισχύος ασύρματης επικοινωνίας
• Μηχανική αξιοπιστία κατά την επαναλαμβανόμενη κάμψη
• Απαιτήσεις πιστοποίησης ασφάλειας

Σε πολλά έργα φορετών συσκευών, μια μπαταρία προσαρμοσμένου σχήματος προσφέρει συχνά μεγαλύτερη συνολική απόδοση από την προσπάθεια τοποθέτησης μιας τυπικής μπαταρίας σε περίβλημα ακανόνιστου σχήματος.

Πιθανοί τομείς εφαρμογής

Ο συνδυασμός συλλογής και αποθήκευσης ενέργειας επεκτείνεται πέρα από τα καταναλωτικά ηλεκτρονικά.

Οι σημερινές και αναδυόμενες εφαρμογές περιλαμβάνουν:

• Συσκευές απομακρυσμένης παρακολούθησης ασθενών
• Συστήματα συνεχούς παρακολούθησης γλυκόζης
• Φορετές συσκευές fitness και αθλητισμού
• Πλατφόρμες AR και έξυπνων γυαλιών
• Ηλεκτρονικά υφάσματα
• Στρατιωτικό φορετό εξοπλισμό
• Συστήματα ασφάλειας εργαζομένων στη βιομηχανία
• Επιθέματα περιβαλλοντικής παρακολούθησης
• Έξυπνα κράνη και προστατευτικό εξοπλισμό
• Συσκευές διεπαφής ανθρώπου-μηχανής

Τι σημαίνει αυτό για τους κατασκευαστές προϊόντων

Καθώς τα φορετά ηλεκτρονικά γίνονται λεπτότερα, εξυπνότερα και πιο διασυνδεδεμένα, η αρχιτεκτονική τροφοδοσίας εξελίσσεται από μια αυτόνομη συστοιχία μπαταριών προς ένα ολοκληρωμένο ενεργειακό οικοσύστημα.

Το μέλλον είναι απίθανο να βασιστεί αποκλειστικά στη συλλογή ενέργειας. Αντίθετα, η πιο πρακτική λύση συνδυάζει εύκαμπτη συλλογή ενέργειας, έξυπνη διαχείριση ισχύος και εξατομικευμένη τεχνολογία επαναφορτιζόμενων μπαταριών.

Για κατασκευαστές OEM και ODM που αναπτύσσουν φορετές συσκευές επόμενης γενιάς, η επιλογή του κατάλληλου συνεργάτη μπαταριών από νωρίς στη φάση σχεδιασμού μπορεί να απλοποιήσει σημαντικά την ενσωμάτωση του προϊόντος, τον μηχανολογικό σχεδιασμό, την πιστοποίηση ασφάλειας και την κλιμάκωση της παραγωγής.

Συχνές ερωτήσεις

1. Τι είναι ένα εύκαμπτο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας;

Ένα εύκαμπτο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας συνδυάζει εύκαμπτες μπαταρίες και τεχνολογίες συλλογής ενέργειας για την τροφοδοσία φορετών και φορητών ηλεκτρονικών συσκευών.

2. Μπορούν οι οργανικές φωτοβολταϊκές μονάδες να αντικαταστήσουν πλήρως τις μπαταρίες;

Όχι. Οι οργανικές φωτοβολταϊκές μονάδες παρέχουν συμπληρωματική ενέργεια, ενώ οι μπαταρίες παραμένουν απαραίτητες για σταθερή παροχή και αποθήκευση ενέργειας.

3. Γιατί οι μπαταρίες πολυμερούς λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως σε φορετές συσκευές;

Οι μπαταρίες πολυμερούς λιθίου προσφέρουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, προσαρμόσιμα σχήματα, χαμηλό βάρος και συμβατότητα με συμπαγείς ηλεκτρονικούς σχεδιασμούς.

4. Ποια τάση μπαταρίας χρησιμοποιείται συνήθως σε φορετές συσκευές;

Οι συνήθεις πλατφόρμες τάσης περιλαμβάνουν 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V και 3.88V. Μεγαλύτερα φορετά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιούν συστοιχίες μπαταριών 7.4V, 11.1V ή 14.8V.

5. Ποιο εύρος χωρητικότητας είναι τυπικό για φορετά ηλεκτρονικά;

Οι χωρητικότητες κυμαίνονται από λιγότερο από 50mAh στα έξυπνα δαχτυλίδια έως πάνω από 5000mAh σε βιομηχανικό φορετό εξοπλισμό και φορητά υπολογιστικά συστήματα.

6. Είναι οι μπαταρίες ιόντων ψευδαργύρου κατάλληλες για φορετές εφαρμογές;

Οι μπαταρίες ιόντων ψευδαργύρου προσφέρουν ελκυστικά χαρακτηριστικά ασφάλειας και ευκαμψίας, καθιστώντας τες κατάλληλες για ορισμένες ιατρικές και φορετές εφαρμογές, αν και οι μπαταρίες πολυμερούς λιθίου κυριαρχούν σήμερα στην εμπορική παραγωγή.

7. Ποιες επιλογές προσαρμογής είναι διαθέσιμες για μπαταρίες φορετών συσκευών;

Οι κατασκευαστές μπορούν να προσαρμόσουν τις διαστάσεις, το πάχος, την τάση, τη χωρητικότητα, τα κυκλώματα προστασίας, τους συνδέσμους, τα μήκη καλωδίων, τα πρωτόκολλα επικοινωνίας και τη μηχανική συσκευασία της μπαταρίας σύμφωνα με τις απαιτήσεις του προϊόντος.