Od kabli do ładowania po urządzenia noszone świadome energii – przyszłość elastycznych systemów magazynowania energii

Jedna z najczęstszych skarg użytkowników urządzeń noszonych jest zaskakująco prosta: czas pracy baterii rzadko dorównuje obietnicy inteligentnych funkcji dostępnych przez cały dzień.

Niezależnie od tego, czy chodzi o inteligentny plaster zdrowotny, aparat słuchowy z AI, monitor aktywności, inteligentny pierścień, urządzenie do monitorowania medycznego, okulary AR, elektroniczną skórę czy przemysłowy czujnik noszony, inżynierowie stale równoważą trzy konkurujące wymagania:

• Mniejsze i lżejsze produkty
• Dłuższy czas pracy
• Więcej czujników, łączność bezprzewodowa i przetwarzanie AI

Dla projektantów produktów i producentów elektroniki tradycyjne architektury zasilania są coraz trudniejsze do dostosowania do urządzeń ultracienkich, elastycznych i dopasowujących się do ciała. To wyzwanie przyspieszyło zainteresowanie elastycznymi systemami magazynowania energii, które łączą pozyskiwanie i przechowywanie energii w jednej zintegrowanej platformie.

W MOTOMA regularnie spotykamy zespoły rozwojowe poszukujące rozwiązań bateryjnych, które nie tylko mieszczą się w kompaktowych produktach noszonych, ale także wspierają przyszłe koncepcje, takie jak elektronika samozasilająca się, elastyczne wyświetlacze, czujniki biometryczne i ciągłe monitorowanie zdrowia.

Dlaczego tradycyjne rozwiązania zasilające zbliżają się do swoich granic

Obecnie większość produktów noszonych korzysta z ładowalnych baterii litowych o pojemności od 50mAh do 1000mAh. Typowe platformy napięciowe obejmują ogniwa litowo-polimerowe 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V i 3.88V.

Choć baterie te zapewniają doskonałą gęstość energii, producenci urządzeń mierzą się z kilkoma wyzwaniami:

Smartwatch może korzystać z baterii 150mAh lub 300mAh, natomiast inteligentne okulary często wymagają pakietów 500mAh–1000mAh. Medyczne urządzenia noszone mogą wykorzystywać od mikrobaterii 100mAh do zewnętrznych modułów baterii noszonych 5000mAh, zależnie od wymaganego czasu pracy.

Koncepcja elastycznego pozyskiwania i magazynowania energii

Nowym podejściem rozwijającym się w laboratoriach badawczych i zaawansowanych programach elektroniki użytkowej jest integracja technologii organicznych ogniw fotowoltaicznych (OPV) z elastycznymi bateriami wielokrotnego ładowania.

Zamiast polegać wyłącznie na kablach lub stacjach ładowania, urządzenia noszone mogą stale pozyskiwać energię z otoczenia i magazynować nadwyżkę do późniejszego wykorzystania.

Taka architektura zwykle obejmuje:

• Elastyczne moduły fotowoltaiki organicznej
• Ultracienkie układy zarządzania energią
• Elastyczne systemy baterii wielokrotnego ładowania
• Moduły komunikacji bezprzewodowej o niskim poborze mocy
• Inteligentne systemy zarządzania baterią

Rezultatem jest zintegrowana platforma pozyskiwania i magazynowania energii, która może wydłużać czas pracy i ograniczać częstotliwość ładowania.

Technologia fotowoltaiki organicznej w urządzeniach noszonych

W przeciwieństwie do tradycyjnych sztywnych paneli krzemowych moduły fotowoltaiki organicznej są lekkie, giętkie i odpowiednie do integracji z produktami noszonymi.

Inżynierowie mogą integrować materiały OPV z:

• Inteligentną odzieżą
• Opaskami fitness
• Plastrami medycznymi
• Zestawami AR i VR
• Przemysłowymi urządzeniami noszonymi zwiększającymi bezpieczeństwo
• Urządzeniami elektronicznej skóry
• Inteligentnymi plecakami i sprzętem outdoorowym

W warunkach oświetlenia wewnętrznego moduły OPV mogą wytwarzać energię uzupełniającą, która pomaga zasilać energooszczędne czujniki, moduły komunikacji Bluetooth i systemy monitorowania środowiska.

Technologie elastycznych baterii dla elektroniki noszonej

Samo pozyskiwanie energii nie zapewnia stabilnego zasilania. Element magazynujący energię pozostaje niezbędny.

Obecnie ocenia się kilka technologii baterii do zastosowania w elastycznych systemach magazynowania energii.

W przypadku produktów komercyjnych wchodzących obecnie do produkcji masowej niestandardowe baterie litowo-polimerowe pozostają najbardziej praktycznym rozwiązaniem dzięki wysokiej gęstości energii, dojrzałości produkcji i elastyczności projektowej.

Parametry baterii powszechnie stosowane w urządzeniach noszonych

W zależności od wymagań produktu elektronika noszona może korzystać z różnych platform napięciowych i pojemności.

Kwestie projektowe, których inżynierowie nie powinni pomijać

Przy integracji elastycznych systemów magazynowania energii z elektroniką noszoną pojemność baterii jest tylko jednym z elementów całego zagadnienia.

Zespoły inżynierskie powinny również ocenić:

• Wymagania dotyczące promienia gięcia
• Ograniczenia grubości baterii
• Zakres temperatury pracy
• Sprawność ładowania
• Wymagania dotyczące trwałości cyklicznej
• Zapotrzebowanie energetyczne komunikacji bezprzewodowej
• Niezawodność mechaniczna przy wielokrotnym zginaniu
• Wymagania certyfikacji bezpieczeństwa

W wielu projektach urządzeń noszonych bateria o niestandardowym kształcie często zapewnia wyższą sprawność systemu niż próba dopasowania standardowej baterii do nieregularnej obudowy.

Potencjalne obszary zastosowań

Połączenie pozyskiwania i magazynowania energii wykracza poza elektronikę użytkową.

Obecne i rozwijające się zastosowania obejmują:

• Urządzenia do zdalnego monitorowania pacjentów
• Systemy ciągłego monitorowania glukozy
• Urządzenia noszone do fitnessu i sportu
• Platformy AR i inteligentnych okularów
• Tekstylia elektroniczne
• Wojskowy sprzęt noszony
• Systemy bezpieczeństwa pracowników przemysłowych
• Plastry do monitorowania środowiska
• Inteligentne kaski i sprzęt ochronny
• Urządzenia interfejsu człowiek-maszyna

Co to oznacza dla producentów produktów

W miarę jak elektronika noszona staje się cieńsza, inteligentniejsza i bardziej połączona, architektura zasilania ewoluuje od samodzielnego pakietu baterii w kierunku zintegrowanego ekosystemu energetycznego.

Przyszłość raczej nie będzie opierać się wyłącznie na pozyskiwaniu energii. Najbardziej praktyczne rozwiązanie łączy elastyczne pozyskiwanie energii, inteligentne zarządzanie zasilaniem i niestandardową technologię baterii wielokrotnego ładowania.

Dla producentów OEM i ODM opracowujących urządzenia noszone nowej generacji wybór właściwego partnera bateryjnego na wczesnym etapie projektowania może znacznie uprościć integrację produktu, projekt mechaniczny, certyfikację bezpieczeństwa i skalowanie produkcji.

Najczęściej zadawane pytania

1. Czym jest elastyczny system magazynowania energii?

Elastyczny system magazynowania energii łączy giętkie baterie i technologie pozyskiwania energii, aby zasilać noszone i przenośne urządzenia elektroniczne.

2. Czy moduły fotowoltaiki organicznej mogą całkowicie zastąpić baterie?

Nie. Moduły fotowoltaiki organicznej dostarczają energię uzupełniającą, natomiast baterie pozostają niezbędne do stabilnego zasilania i magazynowania energii.

3. Dlaczego baterie litowo-polimerowe są powszechnie stosowane w urządzeniach noszonych?

Baterie litowo-polimerowe oferują wysoką gęstość energii, możliwość dostosowania kształtu, lekką konstrukcję i zgodność z kompaktowymi projektami elektronicznymi.

4. Jakie napięcie baterii jest powszechnie stosowane w urządzeniach noszonych?

Typowe platformy napięciowe obejmują 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V i 3.88V. Większe systemy noszone mogą wykorzystywać pakiety baterii 7.4V, 11.1V lub 14.8V.

5. Jaki zakres pojemności jest typowy dla elektroniki noszonej?

Pojemności wahają się od poniżej 50mAh w inteligentnych pierścieniach do ponad 5000mAh w przemysłowym sprzęcie noszonym i przenośnych systemach komputerowych.

6. Czy baterie cynkowo-jonowe nadają się do zastosowań noszonych?

Baterie cynkowo-jonowe oferują korzystne właściwości bezpieczeństwa i elastyczność, dzięki czemu nadają się do niektórych zastosowań medycznych i noszonych, choć obecnie w produkcji komercyjnej dominują baterie litowo-polimerowe.

7. Jakie opcje personalizacji są dostępne dla baterii do urządzeń noszonych?

Producenci mogą dostosować wymiary, grubość, napięcie, pojemność, obwody zabezpieczające, złącza, długość przewodów, protokoły komunikacyjne i opakowanie mechaniczne baterii do wymagań produktu.