Van laadkabels tot energiebewuste wearables - De toekomst van flexibele energieopslagsystemen

Een van de meest voorkomende klachten van gebruikers van wearables is verrassend eenvoudig: de batterijduur maakt de belofte van slimme functies voor de hele dag zelden waar.

Of het nu gaat om een slimme gezondheidspatch, een AI-hoortoestel, fitnesstracker, slimme ring, medisch monitoringsapparaat, AR-bril, elektronische huid of industriële draagbare sensor, ingenieurs moeten voortdurend drie concurrerende eisen tegen elkaar afwegen:

• Kleinere en lichtere producten
• Langere gebruiksduur
• Meer sensoren, draadloze connectiviteit en AI-verwerking

Voor productontwerpers en elektronicafabrikanten worden traditionele voedingsarchitecturen steeds moeilijker aan te passen aan ultradunne, flexibele en lichaamsvolgende apparaten. Deze uitdaging heeft de belangstelling versneld voor flexibele energieopslagsystemen die energieopwekking en energieopslag combineren in één geïntegreerd platform.

Bij MOTOMA zien we regelmatig ontwikkelingsteams die batterijoplossingen zoeken die niet alleen in compacte wearables passen, maar ook toekomstige concepten ondersteunen zoals zelfvoorzienende elektronica, flexibele displays, biometrische detectie en continue gezondheidsmonitoring.

Waarom traditionele voedingsoplossingen hun grenzen bereiken

De meeste wearables gebruiken tegenwoordig oplaadbare lithiumbatterijen met capaciteiten van 50mAh tot 1000mAh. Veelgebruikte spanningsplatforms zijn lithium-polymeercellen van 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V en 3.88V.

Hoewel deze batterijen een uitstekende energiedichtheid bieden, staan fabrikanten voor verschillende uitdagingen:

Een smartwatch kan een batterij van 150mAh of 300mAh gebruiken, terwijl slimme brillen vaak batterijpakketten van 500mAh tot 1000mAh nodig hebben. Medische wearables kunnen, afhankelijk van de vereiste gebruiksduur, variëren van microbatterijen van 100mAh tot externe draagbare batterijmodules van 5000mAh.

Het concept achter flexibele energieopwekking en -opslag

Een nieuwe aanpak die opkomt in onderzoekslaboratoria en geavanceerde programma’s voor consumentenelektronica is de integratie van organische fotovoltaïsche technologie (OPV) met flexibele oplaadbare batterijen.

In plaats van uitsluitend afhankelijk te zijn van laadkabels of laadstations kunnen wearables continu omgevingsenergie verzamelen en overtollige energie opslaan voor later gebruik.

De architectuur bestaat doorgaans uit:

• Flexibele organische fotovoltaïsche modules
• Ultradunne energiebeheercircuits
• Flexibele oplaadbare batterijsystemen
• Draadloze communicatiemodules met laag energieverbruik
• Intelligente batterijbeheersystemen

Het resultaat is een geïntegreerd platform voor energieopwekking en -opslag dat de gebruiksduur kan verlengen en tegelijk de laadfrequentie kan verlagen.

Organische fotovoltaïsche technologie in wearables

In tegenstelling tot traditionele stijve siliciumzonnepanelen zijn organische fotovoltaïsche modules licht, buigzaam en geschikt voor integratie in draagbare producten.

Ingenieurs kunnen OPV-materialen integreren in:

• Slimme kleding
• Fitnessbanden
• Medische patches
• AR- en VR-headsets
• Industriële veiligheidswearables
• Elektronische huidapparaten
• Slimme rugzakken en outdooruitrusting

Onder binnenverlichting kunnen OPV-modules extra energie genereren waarmee energiezuinige sensoren, Bluetooth-communicatiemodules en milieumonitoringssystemen in bedrijf kunnen blijven.

Flexibele batterijtechnologieën voor draagbare elektronica

Alleen energie opwekken kan geen stabiele vermogensafgifte garanderen. Een opslagcomponent blijft essentieel.

Momenteel worden verschillende batterijtechnologieën geëvalueerd voor flexibele energieopslagsystemen.

Voor commerciële producten die nu in massaproductie gaan, blijven op maat gemaakte lithium-polymeerbatterijen de meest praktische oplossing vanwege hun energiedichtheid, productierijpheid en ontwerpflexibiliteit.

Veelgebruikte batterijparameters in wearables

Afhankelijk van de productvereisten kan draagbare elektronica verschillende spanningsplatforms en capaciteiten gebruiken.

Ontwerpaspecten die ingenieurs niet mogen negeren

Bij het integreren van flexibele energieopslagsystemen in draagbare elektronica is batterijcapaciteit slechts één onderdeel van het geheel.

Engineeringteams moeten ook het volgende beoordelen:

• Vereisten voor buigradius
• Beperkingen van de batterijdikte
• Bedrijfstemperatuurbereik
• Laadefficiëntie
• Vereisten voor levensduur in cycli
• Energiebehoefte van draadloze communicatie
• Mechanische betrouwbaarheid bij herhaald buigen
• Vereisten voor veiligheidscertificering

In veel wearable-projecten levert een batterij met aangepaste vorm vaak een hogere systeemefficiëntie op dan het inpassen van een standaardbatterij in een onregelmatige behuizing.

Potentiële toepassingsgebieden

De combinatie van energieopwekking en energieopslag breidt zich uit tot buiten consumentenelektronica.

Huidige en opkomende toepassingen zijn onder andere:

• Apparaten voor patiëntmonitoring op afstand
• Systemen voor continue glucosemonitoring
• Fitness- en sportwearables
• AR- en slimme-brilplatforms
• Elektronisch textiel
• Militaire draagbare uitrusting
• Veiligheidssystemen voor industriële werknemers
• Patches voor milieumonitoring
• Slimme helmen en beschermende uitrusting
• Mens-machine-interfaceapparaten

Wat dit betekent voor productfabrikanten

Naarmate draagbare elektronica dunner, slimmer en sterker verbonden wordt, evolueert de voedingsarchitectuur van een zelfstandig batterijpakket naar een geïntegreerd energie-ecosysteem.

De toekomst zal waarschijnlijk niet uitsluitend door energieopwekking worden aangedreven. De meest praktische oplossing combineert flexibele energieopwekking, intelligent energiebeheer en op maat gemaakte oplaadbare batterijtechnologie.

Voor OEM- en ODM-fabrikanten die wearables van de volgende generatie ontwikkelen, kan het vroeg in de ontwerpfase kiezen van de juiste batterijpartner productintegratie, mechanisch ontwerp, veiligheidscertificering en opschaling van de productie aanzienlijk vereenvoudigen.

Veelgestelde vragen

1. Wat is een flexibel energieopslagsysteem?

Een flexibel energieopslagsysteem combineert buigbare batterijen en technologieën voor energieopwekking om draagbare en mobiele elektronische apparaten van stroom te voorzien.

2. Kunnen organische fotovoltaïsche modules batterijen volledig vervangen?

Nee. Organische fotovoltaïsche modules leveren aanvullende energie, terwijl batterijen noodzakelijk blijven voor een stabiele stroomvoorziening en energieopslag.

3. Waarom worden lithium-polymeerbatterijen veel gebruikt in wearables?

Lithium-polymeerbatterijen bieden een hoge energiedichtheid, aanpasbare vormen, een lichte constructie en compatibiliteit met compacte elektronische ontwerpen.

4. Welke batterijspanning wordt doorgaans gebruikt in wearables?

Veelgebruikte spanningsplatforms zijn 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V en 3.88V. Grotere wearable-systemen kunnen batterijpakketten van 7.4V, 11.1V of 14.8V gebruiken.

5. Welk capaciteitsbereik is gebruikelijk voor draagbare elektronica?

De capaciteit varieert van minder dan 50mAh in slimme ringen tot meer dan 5000mAh in industriële wearables en draagbare computersystemen.

6. Zijn zink-ionbatterijen geschikt voor wearable-toepassingen?

Zink-ionbatterijen bieden aantrekkelijke veiligheidskenmerken en flexibiliteit, waardoor ze geschikt zijn voor bepaalde medische en draagbare toepassingen, hoewel lithium-polymeerbatterijen momenteel de commerciële productie domineren.

7. Welke maatwerkopties zijn beschikbaar voor wearable-batterijen?

Fabrikanten kunnen batterijafmetingen, dikte, spanning, capaciteit, beveiligingscircuits, connectoren, kabellengtes, communicatieprotocollen en mechanische verpakking aanpassen aan de productvereisten.