จากสายชาร์จสู่อุปกรณ์สวมใส่ที่ตระหนักรู้ด้านพลังงาน - อนาคตของระบบกักเก็บพลังงานแบบยืดหยุ่น

หนึ่งในข้อร้องเรียนที่พบบ่อยที่สุดจากผู้ใช้อุปกรณ์สวมใส่นั้นเรียบง่ายอย่างน่าประหลาดใจ นั่นคืออายุการใช้งานแบตเตอรี่มักไม่เป็นไปตามคำมั่นว่าจะรองรับฟังก์ชันอัจฉริยะได้ตลอดทั้งวัน

ไม่ว่าจะเป็นแผ่นแปะสุขภาพอัจฉริยะ เครื่องช่วยฟังที่ใช้ AI อุปกรณ์ติดตามการออกกำลังกาย แหวนอัจฉริยะ อุปกรณ์ติดตามทางการแพทย์ แว่น AR ผิวหนังอิเล็กทรอนิกส์ หรือเซ็นเซอร์อุตสาหกรรมแบบสวมใส่ วิศวกรต้องสร้างสมดุลระหว่างข้อกำหนดสามประการที่แข่งขันกันอยู่เสมอ:

• ผลิตภัณฑ์ที่เล็กและเบากว่า
• ระยะเวลาการทำงานที่ยาวนานขึ้น
• เซ็นเซอร์มากขึ้น การเชื่อมต่อไร้สาย และการประมวลผล AI

สำหรับนักออกแบบผลิตภัณฑ์และผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สถาปัตยกรรมพลังงานแบบดั้งเดิมกำลังปรับใช้กับอุปกรณ์ที่บางเป็นพิเศษ ยืดหยุ่น และแนบรับกับสรีระได้ยากขึ้นเรื่อย ๆ ความท้าทายนี้ทำให้เกิดความสนใจในระบบกักเก็บพลังงานแบบยืดหยุ่นที่รวมการเก็บเกี่ยวพลังงานและการกักเก็บพลังงานไว้ในแพลตฟอร์มเดียวมากขึ้น

ที่ MOTOMA เราพบเป็นประจำว่าทีมพัฒนากำลังมองหาโซลูชันแบตเตอรี่ที่ไม่เพียงใส่ลงในผลิตภัณฑ์สวมใส่ขนาดกะทัดรัดได้เท่านั้น แต่ยังรองรับแนวคิดในอนาคต เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จ่ายพลังงานให้ตนเอง จอแสดงผลแบบยืดหยุ่น การตรวจวัดข้อมูลชีวมิติ และการติดตามสุขภาพอย่างต่อเนื่อง

เหตุใดโซลูชันพลังงานแบบดั้งเดิมจึงกำลังถึงขีดจำกัด

ผลิตภัณฑ์สวมใส่ส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้ แบตเตอรี่ลิเทียมแบบชาร์จซ้ำได้ ที่มีความจุตั้งแต่ 50mAh ถึง 1000mAh โดยแพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้าที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ เซลล์ลิเทียมโพลิเมอร์ 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V และ 3.88V

แม้แบตเตอรี่เหล่านี้จะมีความหนาแน่นพลังงานสูง แต่ผู้ผลิตอุปกรณ์ยังต้องเผชิญกับความท้าทายหลายประการ:

ความท้าทายด้านการออกแบบ	ผลกระทบต่อการพัฒนาผลิตภัณฑ์
พื้นที่ภายในจำกัด	ลดตัวเลือกความจุแบตเตอรี่
รูปทรงผลิตภัณฑ์ซับซ้อน	ต้องใช้รูปทรงแบตเตอรี่ที่ออกแบบเฉพาะ
จำนวนเซ็นเซอร์เพิ่มขึ้น	ใช้พลังงานสูงขึ้น
การสื่อสารไร้สายอย่างต่อเนื่อง	ระยะเวลาการทำงานสั้นลง
ข้อกำหนดด้านความสบายของผู้ใช้	ต้องใช้แบตเตอรี่ที่บางและเบากว่า

สมาร์ตวอตช์อาจใช้แบตเตอรี่ 150mAh หรือ 300mAh ขณะที่แว่นอัจฉริยะมักต้องใช้ชุดแบตเตอรี่ 500mAh ถึง 1000mAh ส่วนอุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์อาจใช้ตั้งแต่ไมโครแบตเตอรี่ 100mAh ไปจนถึงโมดูลแบตเตอรี่ภายนอกแบบสวมใส่ 5000mAh ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับระยะเวลาการทำงาน

แนวคิดเบื้องหลังการเก็บเกี่ยวและกักเก็บพลังงานแบบยืดหยุ่น

แนวทางใหม่ที่กำลังเกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการวิจัยและโครงการอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคขั้นสูง คือการผสานเทคโนโลยีโฟโตโวลตาอิกอินทรีย์ (OPV) เข้ากับแบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นที่ชาร์จซ้ำได้

แทนที่จะพึ่งพาสายชาร์จหรือแท่นชาร์จเพียงอย่างเดียว อุปกรณ์สวมใส่สามารถเก็บพลังงานจากสภาพแวดล้อมได้อย่างต่อเนื่อง พร้อมกักเก็บพลังงานส่วนเกินไว้ใช้ภายหลัง

โดยทั่วไปสถาปัตยกรรมประกอบด้วย:

• โมดูลโฟโตโวลตาอิกอินทรีย์แบบยืดหยุ่น
• วงจรจัดการพลังงานที่บางเป็นพิเศษ
• ระบบแบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นที่ชาร์จซ้ำได้
• โมดูลสื่อสารไร้สายที่ใช้พลังงานต่ำ
• ระบบจัดการแบตเตอรี่อัจฉริยะ

ผลลัพธ์คือแพลตฟอร์มเก็บเกี่ยวและกักเก็บพลังงานที่ช่วยยืดระยะเวลาการทำงานพร้อมลดความถี่ในการชาร์จ

เทคโนโลยีโฟโตโวลตาอิกอินทรีย์ในอุปกรณ์สวมใส่

ต่างจากแผงโซลาร์เซลล์ซิลิคอนแบบแข็งทั่วไป โมดูลโฟโตโวลตาอิกอินทรีย์มีน้ำหนักเบา โค้งงอได้ และเหมาะสำหรับการผสานเข้ากับผลิตภัณฑ์สวมใส่

วิศวกรสามารถผสานวัสดุ OPV เข้ากับ:

• เสื้อผ้าอัจฉริยะ
• สายรัดออกกำลังกาย
• แผ่นแปะทางการแพทย์
• ชุดหูฟัง AR และ VR
• อุปกรณ์ความปลอดภัยในอุตสาหกรรมแบบสวมใส่
• อุปกรณ์ผิวหนังอิเล็กทรอนิกส์
• กระเป๋าเป้อัจฉริยะและอุปกรณ์กลางแจ้ง

ภายใต้สภาพแสงภายในอาคาร โมดูล OPV สามารถผลิตพลังงานเสริมเพื่อช่วยให้เซ็นเซอร์พลังงานต่ำ โมดูลสื่อสาร Bluetooth และระบบตรวจติดตามสภาพแวดล้อมทำงานต่อเนื่องได้

เทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่

การเก็บเกี่ยวพลังงานเพียงอย่างเดียวไม่สามารถจ่ายพลังงานได้อย่างเสถียร ดังนั้นองค์ประกอบสำหรับกักเก็บพลังงานยังคงจำเป็น

ปัจจุบันมีการประเมินเทคโนโลยีแบตเตอรี่หลายประเภทสำหรับระบบกักเก็บพลังงานแบบยืดหยุ่น

ประเภทแบตเตอรี่	ข้อดี	การใช้งานทั่วไป
แบตเตอรี่ลิเทียมโพลิเมอร์แบบยืดหยุ่น	ความหนาแน่นพลังงานสูง ห่วงโซ่อุปทานมีความพร้อม	สมาร์ตวอตช์ แว่นอัจฉริยะ อุปกรณ์ติดตามสุขภาพ
แบตเตอรี่สังกะสีไอออน	ความปลอดภัยและความยืดหยุ่นที่ดีขึ้น	อุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์ อิเล็กทรอนิกส์บนผิวหนัง
แบตเตอรี่ฟิล์มบาง	รูปทรงบางเป็นพิเศษ	เซ็นเซอร์แบบใช้แล้วทิ้ง สมาร์ตการ์ด
แบตเตอรี่โซลิดสเตตแบบยืดหยุ่น	มีศักยภาพด้านความปลอดภัยที่ดีขึ้น	อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ในอนาคต

สำหรับผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่เข้าสู่การผลิตจำนวนมากในปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเทียมโพลิเมอร์แบบสั่งทำยังคงเป็นโซลูชันที่ใช้งานได้จริงที่สุด เนื่องจากมีความหนาแน่นพลังงานสูง เทคโนโลยีการผลิตมีความพร้อม และออกแบบได้ยืดหยุ่น

พารามิเตอร์แบตเตอรี่ที่ใช้กันทั่วไปในอุปกรณ์สวมใส่

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่อาจใช้แพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้าและความจุที่หลากหลายตามข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์

การใช้งาน	แรงดันไฟฟ้า	ช่วงความจุ
แหวนอัจฉริยะ	3.7V / 3.8V	15mAh – 30mAh
อุปกรณ์ติดตามการออกกำลังกาย	3.7V / 3.85V	80mAh – 200mAh
สมาร์ตวอตช์	3.85V / 3.87V	200mAh – 600mAh
อุปกรณ์ติดตามทางการแพทย์	3.7V / 3.88V	100mAh – 1000mAh
แว่นอัจฉริยะ	3.85V / 7.4V	500mAh – 1500mAh
อุปกรณ์คอมพิวเตอร์แบบสวมใส่	7.4V / 11.1V	1000mAh – 5000mAh
อุปกรณ์อุตสาหกรรมแบบพกพาและสวมใส่ได้	11.1V / 14.8V	5000mAh+

ข้อควรพิจารณาด้านการออกแบบที่วิศวกรไม่ควรมองข้าม

เมื่อผสานระบบกักเก็บพลังงานแบบยืดหยุ่นเข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ ความจุแบตเตอรี่เป็นเพียงส่วนหนึ่งของสมการเท่านั้น

ทีมวิศวกรรมควรประเมินประเด็นต่อไปนี้ด้วย:

• ข้อกำหนดรัศมีการโค้งงอ
• ข้อจำกัดด้านความหนาของแบตเตอรี่
• ช่วงอุณหภูมิการทำงาน
• ประสิทธิภาพการชาร์จ
• ข้อกำหนดอายุการใช้งานตามรอบชาร์จ
• ความต้องการพลังงานของการสื่อสารไร้สาย
• ความน่าเชื่อถือทางกลเมื่อมีการโค้งงอซ้ำ ๆ
• ข้อกำหนดการรับรองความปลอดภัย

ในโครงการอุปกรณ์สวมใส่จำนวนมาก แบตเตอรี่ที่ออกแบบรูปทรงเฉพาะมักให้ประสิทธิภาพระบบที่ดีกว่าการพยายามใส่แบตเตอรี่มาตรฐานลงในตัวเรือนที่มีรูปทรงไม่สม่ำเสมอ

พื้นที่การใช้งานที่มีศักยภาพ

การผสานการเก็บเกี่ยวพลังงานและการกักเก็บพลังงานกำลังขยายไปไกลกว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

การใช้งานในปัจจุบันและที่กำลังเกิดขึ้น ได้แก่:

• อุปกรณ์ติดตามผู้ป่วยระยะไกล
• ระบบติดตามระดับกลูโคสอย่างต่อเนื่อง
• อุปกรณ์สวมใส่เพื่อการออกกำลังกายและกีฬา
• แพลตฟอร์ม AR และแว่นอัจฉริยะ
• สิ่งทออิเล็กทรอนิกส์
• อุปกรณ์สวมใส่ทางทหาร
• ระบบความปลอดภัยสำหรับพนักงานในอุตสาหกรรม
• แผ่นแปะตรวจติดตามสภาพแวดล้อม
• หมวกนิรภัยอัจฉริยะและอุปกรณ์ป้องกัน
• อุปกรณ์ส่วนต่อประสานระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร

สิ่งนี้มีความหมายอย่างไรต่อผู้ผลิตผลิตภัณฑ์

เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่บางลง ฉลาดขึ้น และเชื่อมต่อกันมากขึ้น สถาปัตยกรรมพลังงานกำลังพัฒนาจากชุดแบตเตอรี่แบบแยกเดี่ยวไปสู่ระบบนิเวศพลังงานแบบบูรณาการ

อนาคตไม่น่าจะขับเคลื่อนด้วยการเก็บเกี่ยวพลังงานเพียงอย่างเดียว แต่โซลูชันที่ใช้งานได้จริงที่สุดคือการผสานการเก็บพลังงานแบบยืดหยุ่น การจัดการพลังงานอัจฉริยะ และเทคโนโลยีแบตเตอรี่ชาร์จซ้ำที่ปรับแต่งตามความต้องการ

สำหรับผู้ผลิต OEM และ ODM ที่กำลังพัฒนาอุปกรณ์สวมใส่ยุคถัดไป การเลือกพันธมิตรด้านแบตเตอรี่ที่เหมาะสมตั้งแต่ช่วงต้นของการออกแบบสามารถช่วยลดความซับซ้อนของการผสานผลิตภัณฑ์ การออกแบบเชิงกล การรับรองความปลอดภัย และการขยายกำลังการผลิตได้อย่างมาก

คำถามที่พบบ่อย

1. ระบบกักเก็บพลังงานแบบยืดหยุ่นคืออะไร?

ระบบ กักเก็บพลังงานแบบยืดหยุ่น ผสานแบตเตอรี่ที่โค้งงอได้เข้ากับเทคโนโลยีเก็บเกี่ยวพลังงานเพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่และแบบพกพา

2. โมดูลโฟโตโวลตาอิกอินทรีย์สามารถทดแทนแบตเตอรี่ได้ทั้งหมดหรือไม่?

ไม่ได้ โมดูลโฟโตโวลตาอิกอินทรีย์ให้พลังงานเสริม ขณะที่แบตเตอรี่ยังคงจำเป็นสำหรับการจ่ายพลังงานอย่างเสถียรและการกักเก็บพลังงาน

3. เหตุใดแบตเตอรี่ลิเทียมโพลิเมอร์จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์สวมใส่?

แบตเตอรี่ลิเทียมโพลิเมอร์มีความหนาแน่นพลังงานสูง ปรับแต่งรูปทรงได้ น้ำหนักเบา และเข้ากันได้กับการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัด

4. อุปกรณ์สวมใส่มักใช้แรงดันแบตเตอรี่เท่าใด?

แพลตฟอร์มแรงดันที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V และ 3.88V ส่วนระบบสวมใส่ขนาดใหญ่กว่าอาจใช้ชุดแบตเตอรี่ 7.4V, 11.1V หรือ 14.8V

5. ช่วงความจุทั่วไปของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่คือเท่าใด?

ความจุมีตั้งแต่น้อยกว่า 50mAh ในแหวนอัจฉริยะ ไปจนถึงมากกว่า 5000mAh ในอุปกรณ์อุตสาหกรรมแบบสวมใส่และระบบคอมพิวเตอร์แบบพกพา

6. แบตเตอรี่สังกะสีไอออนเหมาะสำหรับการใช้งานแบบสวมใส่หรือไม่?

แบตเตอรี่สังกะสีไอออนมีจุดเด่นด้านความปลอดภัยและความยืดหยุ่น จึงเหมาะกับการใช้งานทางการแพทย์และอุปกรณ์สวมใส่บางประเภท แม้ปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเทียมโพลิเมอร์ยังเป็นเทคโนโลยีหลักในการผลิตเชิงพาณิชย์

7. แบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์สวมใส่สามารถปรับแต่งอะไรได้บ้าง?

ผู้ผลิตสามารถปรับแต่งขนาด ความหนา แรงดันไฟฟ้า ความจุ วงจรป้องกัน ขั้วต่อ ความยาวสายไฟ โปรโตคอลการสื่อสาร และบรรจุภัณฑ์เชิงกลของแบตเตอรี่ตามข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์