یکی از رایج‌ترین گلایه‌های کاربران دستگاه‌های پوشیدنی به‌طرز شگفت‌آوری ساده است: عمر باتری به‌ندرت با وعده هوشمندی در تمام طول روز مطابقت دارد.
چه یک پچ هوشمند سلامت باشد، چه سمعک مجهز به AI، ردیاب تناسب‌اندام، حلقه هوشمند، دستگاه پایش پزشکی، عینک AR، پوست الکترونیکی یا حسگر صنعتی پوشیدنی، مهندسان همواره باید میان سه نیاز رقابتی تعادل برقرار کنند:
- محصولات کوچک‌تر و سبک‌تر
- زمان کارکرد طولانی‌تر
- حسگرهای بیشتر، اتصال بی‌سیم و پردازش AI
برای طراحان محصول و تولیدکنندگان الکترونیک، تطبیق معماری‌های سنتی تأمین توان با دستگاه‌های فوق‌نازک، انعطاف‌پذیر و منطبق با فرم بدن روزبه‌روز دشوارتر می‌شود. این چالش علاقه به سامانه‌های ذخیره انرژی انعطاف‌پذیر را که برداشت و ذخیره انرژی را در یک پلتفرم یکپارچه ترکیب می‌کنند، افزایش داده است.
در MOTOMA، به‌طور مرتب تیم‌های توسعه‌ای را می‌بینیم که به‌دنبال راهکارهای باتری هستند که نه‌تنها در محصولات پوشیدنی جمع‌وجور جای بگیرند، بلکه از مفاهیم آینده مانند الکترونیک خودتأمین، نمایشگرهای انعطاف‌پذیر، سنجش زیستی و پایش پیوسته سلامت نیز پشتیبانی کنند.
چرا راهکارهای سنتی تأمین توان به مرزهای خود رسیده‌اند
بیشتر محصولات پوشیدنی امروزی به باتری‌های لیتیومی قابل شارژ با ظرفیت 50mAh تا 1000mAh متکی هستند. پلتفرم‌های ولتاژ رایج شامل سلول‌های لیتیوم‌پلیمر 3.7V، 3.8V، 3.85V، 3.87V و 3.88V هستند.
با اینکه این باتری‌ها چگالی انرژی بسیار خوبی ارائه می‌کنند، تولیدکنندگان دستگاه با چند چالش روبه‌رو هستند:
| چالش طراحی | تأثیر بر توسعه محصول |
|---|---|
| فضای داخلی محدود | گزینه‌های ظرفیت باتری را کاهش می‌دهد |
| شکل‌های پیچیده محصول | به هندسه سفارشی باتری نیاز دارد |
| افزایش تعداد حسگرها | مصرف توان بیشتر |
| ارتباط بی‌سیم پیوسته | زمان کارکرد کوتاه‌تر |
| الزامات راحتی کاربر | باتری‌های نازک‌تر و سبک‌تر را می‌طلبد |
یک ساعت هوشمند ممکن است از باتری 150mAh یا 300mAh استفاده کند، در حالی که عینک‌های هوشمند اغلب به بسته‌های باتری 500mAh تا 1000mAh نیاز دارند. بسته به مدت کارکرد، دستگاه‌های پزشکی پوشیدنی می‌توانند از میکروباتری‌های 100mAh تا ماژول‌های باتری پوشیدنی خارجی 5000mAh استفاده کنند.
مفهوم برداشت و ذخیره انعطاف‌پذیر انرژی
رویکرد جدیدی که در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و برنامه‌های پیشرفته الکترونیک مصرفی در حال ظهور است، ادغام فناوری فتوولتائیک آلی (OPV) با باتری‌های انعطاف‌پذیر قابل شارژ است.
به‌جای اتکای کامل به کابل یا داک شارژ، دستگاه‌های پوشیدنی می‌توانند به‌طور پیوسته انرژی محیط را برداشت کرده و انرژی اضافی را برای استفاده بعدی ذخیره کنند.
این معماری معمولاً شامل موارد زیر است:
- ماژول‌های فتوولتائیک آلی انعطاف‌پذیر
- مدارهای فوق‌نازک مدیریت انرژی
- سامانه‌های باتری انعطاف‌پذیر قابل شارژ
- ماژول‌های ارتباط بی‌سیم کم‌مصرف
- سامانه‌های هوشمند مدیریت باتری
نتیجه، یک پلتفرم برداشت و ذخیره انرژی است که می‌تواند زمان کارکرد را افزایش دهد و در عین حال دفعات شارژ را کاهش دهد.
فناوری فتوولتائیک آلی در دستگاه‌های پوشیدنی
برخلاف پنل‌های خورشیدی سیلیکونی سخت و سنتی، ماژول‌های فتوولتائیک آلی سبک، خم‌شونده و مناسب برای ادغام در محصولات پوشیدنی هستند.
مهندسان می‌توانند مواد OPV را در موارد زیر به‌کار ببرند:
- پوشاک هوشمند
- دستبندهای تناسب‌اندام
- پچ‌های پزشکی
- هدست‌های AR و VR
- تجهیزات ایمنی صنعتی پوشیدنی
- دستگاه‌های پوست الکترونیکی
- کوله‌پشتی‌های هوشمند و تجهیزات فضای باز
در شرایط نور داخلی، ماژول‌های OPV می‌توانند توان تکمیلی تولید کنند که به حفظ عملکرد حسگرهای کم‌مصرف، ماژول‌های ارتباطی Bluetooth و سامانه‌های پایش محیطی کمک می‌کند.
فناوری‌های باتری انعطاف‌پذیر برای الکترونیک پوشیدنی
برداشت انرژی به‌تنهایی نمی‌تواند خروجی توان پایداری فراهم کند. وجود یک بخش ذخیره‌سازی همچنان ضروری است.
در حال حاضر چندین فناوری باتری برای سامانه‌های ذخیره انرژی انعطاف‌پذیر در حال ارزیابی است.
| نوع باتری | مزایا | کاربردهای معمول |
|---|---|---|
| باتری لیتیوم‌پلیمر انعطاف‌پذیر | چگالی انرژی بالا، زنجیره تأمین بالغ | ساعت‌های هوشمند، عینک‌های هوشمند، پایشگرهای سلامت |
| باتری یون روی | ایمنی و انعطاف‌پذیری بهتر | دستگاه‌های پزشکی پوشیدنی، الکترونیک پوستی |
| باتری لایه‌نازک | ساختار فوق‌نازک | حسگرهای یک‌بارمصرف، کارت‌های هوشمند |
| باتری حالت‌جامد انعطاف‌پذیر | ظرفیت بالقوه بهتر برای ایمنی | الکترونیک پوشیدنی آینده |
برای محصولات تجاری که امروز وارد تولید انبوه می‌شوند، باتری‌های لیتیوم‌پلیمر سفارشی به‌دلیل چگالی انرژی، بلوغ تولید و انعطاف‌پذیری طراحی همچنان عملی‌ترین راهکار هستند.
پارامترهای رایج باتری در دستگاه‌های پوشیدنی
بسته به نیاز محصول، الکترونیک پوشیدنی ممکن است از پلتفرم‌های ولتاژ و ظرفیت‌های مختلف استفاده کند.
| کاربرد | ولتاژ | بازه ظرفیت |
|---|---|---|
| حلقه هوشمند | 3.7V / 3.8V | 15mAh – 30mAh |
| ردیاب تناسب‌اندام | 3.7V / 3.85V | 80mAh – 200mAh |
| ساعت هوشمند | 3.85V / 3.87V | 200mAh – 600mAh |
| دستگاه پایش پزشکی | 3.7V / 3.88V | 100mAh – 1000mAh |
| عینک هوشمند | 3.85V / 7.4V | 500mAh – 1500mAh |
| دستگاه رایانشی پوشیدنی | 7.4V / 11.1V | 1000mAh – 5000mAh |
| دستگاه صنعتی پوشیدنی قابل‌حمل | 11.1V / 14.8V | 5000mAh+ |
ملاحظات طراحی که مهندسان نباید نادیده بگیرند
هنگام ادغام سامانه‌های ذخیره انرژی انعطاف‌پذیر در الکترونیک پوشیدنی، ظرفیت باتری تنها بخشی از معادله است.
تیم‌های مهندسی باید موارد زیر را نیز ارزیابی کنند:
- الزامات شعاع خم
- محدودیت‌های ضخامت باتری
- بازه دمای کاری
- بازده شارژ
- الزامات عمر چرخه
- نیاز توان ارتباط بی‌سیم
- قابلیت اطمینان مکانیکی هنگام خم‌شدن مکرر
- الزامات گواهی ایمنی
در بسیاری از پروژه‌های پوشیدنی، باتری با شکل سفارشی اغلب نسبت به تلاش برای جا دادن یک باتری استاندارد در محفظه‌ای با شکل نامنظم، بازده کلی بیشتری برای سامانه ایجاد می‌کند.
حوزه‌های کاربرد بالقوه
ترکیب برداشت و ذخیره انرژی در حال گسترش فراتر از الکترونیک مصرفی است.
کاربردهای فعلی و نوظهور شامل موارد زیر است:
- دستگاه‌های پایش از راه دور بیمار
- سامانه‌های پایش پیوسته گلوکز
- تجهیزات پوشیدنی تناسب‌اندام و ورزش
- پلتفرم‌های AR و عینک هوشمند
- منسوجات الکترونیکی
- تجهیزات پوشیدنی نظامی
- سامانه‌های ایمنی کارکنان صنعتی
- پچ‌های پایش محیطی
- کلاه‌های هوشمند و تجهیزات حفاظتی
- دستگاه‌های رابط انسان و ماشین
این موضوع برای تولیدکنندگان محصول چه معنایی دارد
با نازک‌تر، هوشمندتر و متصل‌تر شدن الکترونیک پوشیدنی، معماری توان از یک بسته باتری مستقل به سوی یک اکوسیستم یکپارچه انرژی در حال تکامل است.
بعید است آینده تنها با برداشت انرژی تأمین شود. در عوض، عملی‌ترین راهکار ترکیبی از جمع‌آوری انعطاف‌پذیر انرژی، مدیریت هوشمند توان و فناوری باتری قابل شارژ سفارشی است.
برای تولیدکنندگان OEM و ODM که دستگاه‌های پوشیدنی نسل بعدی را توسعه می‌دهند، انتخاب شریک مناسب باتری در مراحل ابتدایی طراحی می‌تواند ادغام محصول، طراحی مکانیکی، گواهی ایمنی و مقیاس‌پذیری تولید را به‌طور چشمگیری ساده‌تر کند.
پرسش‌های متداول
1. سامانه ذخیره انرژی انعطاف‌پذیر چیست؟
یک سامانه ذخیره انرژی انعطاف‌پذیر باتری‌های خم‌شونده و فناوری‌های برداشت انرژی را با هم ترکیب می‌کند تا توان موردنیاز دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی و قابل‌حمل را تأمین کند.
2. آیا ماژول‌های فتوولتائیک آلی می‌توانند کاملاً جایگزین باتری‌ها شوند؟
خیر. ماژول‌های فتوولتائیک آلی انرژی تکمیلی فراهم می‌کنند، در حالی که باتری‌ها همچنان برای تأمین پایدار توان و ذخیره انرژی ضروری هستند.
3. چرا باتری‌های لیتیوم‌پلیمر به‌طور گسترده در دستگاه‌های پوشیدنی استفاده می‌شوند؟
باتری‌های لیتیوم‌پلیمر چگالی انرژی بالا، شکل‌های قابل سفارشی‌سازی، ساختار سبک و سازگاری با طراحی‌های الکترونیکی جمع‌وجور را ارائه می‌کنند.
4. چه ولتاژ باتری‌ای معمولاً در دستگاه‌های پوشیدنی استفاده می‌شود؟
پلتفرم‌های ولتاژ رایج شامل 3.7V، 3.8V، 3.85V، 3.87V و 3.88V هستند. سامانه‌های پوشیدنی بزرگ‌تر ممکن است از بسته‌های باتری 7.4V، 11.1V یا 14.8V استفاده کنند.
5. بازه ظرفیت معمول برای الکترونیک پوشیدنی چقدر است؟
ظرفیت از کمتر از 50mAh در حلقه‌های هوشمند تا بیش از 5000mAh در تجهیزات صنعتی پوشیدنی و سامانه‌های رایانشی قابل‌حمل متغیر است.
6. آیا باتری‌های یون روی برای کاربردهای پوشیدنی مناسب هستند؟
باتری‌های یون روی ویژگی‌های مطلوبی از نظر ایمنی و انعطاف‌پذیری ارائه می‌کنند و برای برخی کاربردهای پزشکی و پوشیدنی مناسب‌اند، هرچند باتری‌های لیتیوم‌پلیمر در حال حاضر بر تولید تجاری تسلط دارند.
7. چه گزینه‌های سفارشی‌سازی برای باتری‌های پوشیدنی وجود دارد؟
تولیدکنندگان می‌توانند ابعاد، ضخامت، ولتاژ، ظرفیت، مدارهای حفاظتی، کانکتورها، طول سیم‌ها، پروتکل‌های ارتباطی و بسته‌بندی مکانیکی باتری را مطابق نیاز محصول سفارشی کنند.