Từ cáp sạc đến thiết bị đeo nhận biết năng lượng - Tương lai của hệ thống lưu trữ năng lượng linh hoạt

Một trong những phàn nàn phổ biến nhất của người dùng thiết bị đeo lại rất đơn giản: thời lượng pin hiếm khi đáp ứng được lời hứa về khả năng thông minh suốt cả ngày.

Dù là miếng dán sức khỏe thông minh, máy trợ thính tích hợp AI, thiết bị theo dõi thể thao, nhẫn thông minh, thiết bị theo dõi y tế, kính AR, da điện tử hay cảm biến công nghiệp đeo trên người, các kỹ sư luôn phải cân bằng ba yêu cầu cạnh tranh:

• Sản phẩm nhỏ hơn và nhẹ hơn
• Thời gian hoạt động dài hơn
• Nhiều cảm biến hơn, kết nối không dây và xử lý AI

Đối với các nhà thiết kế sản phẩm và nhà sản xuất điện tử, kiến trúc nguồn điện truyền thống ngày càng khó thích ứng với các thiết bị siêu mỏng, linh hoạt và ôm sát cơ thể. Thách thức này đã thúc đẩy sự quan tâm đến các hệ thống lưu trữ năng lượng linh hoạt, kết hợp thu năng lượng và lưu trữ năng lượng trên một nền tảng tích hợp duy nhất.

Tại MOTOMA, chúng tôi thường xuyên thấy các nhóm phát triển tìm kiếm giải pháp pin không chỉ vừa với những sản phẩm đeo nhỏ gọn mà còn hỗ trợ các ý tưởng tương lai như thiết bị điện tử tự cấp nguồn, màn hình linh hoạt, cảm biến sinh trắc học và theo dõi sức khỏe liên tục.

Vì sao các giải pháp nguồn điện truyền thống đang chạm tới giới hạn

Phần lớn thiết bị đeo hiện nay sử dụng pin lithium có thể sạc lại với dung lượng từ 50mAh đến 1000mAh. Các nền tảng điện áp phổ biến gồm pin lithium polymer 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V và 3.88V.

Mặc dù những loại pin này có mật độ năng lượng cao, các nhà sản xuất thiết bị vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức:

Đồng hồ thông minh có thể dùng pin 150mAh hoặc 300mAh, trong khi kính thông minh thường cần bộ pin 500mAh đến 1000mAh. Tùy thời gian hoạt động, thiết bị đeo y tế có thể sử dụng từ pin siêu nhỏ 100mAh đến mô-đun pin đeo ngoài 5000mAh.

Ý tưởng đằng sau việc thu và lưu trữ năng lượng linh hoạt

Một hướng tiếp cận mới đang xuất hiện trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu và chương trình điện tử tiêu dùng tiên tiến là tích hợp công nghệ quang điện hữu cơ (OPV) với pin sạc linh hoạt.

Thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào cáp sạc hoặc đế sạc, thiết bị đeo có thể liên tục thu năng lượng từ môi trường và lưu trữ phần năng lượng dư để sử dụng sau.

Kiến trúc này thường gồm:

• Mô-đun quang điện hữu cơ linh hoạt
• Mạch quản lý năng lượng siêu mỏng
• Hệ thống pin sạc linh hoạt
• Mô-đun giao tiếp không dây công suất thấp
• Hệ thống quản lý pin thông minh

Kết quả là một nền tảng thu và lưu trữ năng lượng có thể kéo dài thời gian hoạt động đồng thời giảm tần suất sạc.

Công nghệ quang điện hữu cơ trong thiết bị đeo

Khác với các tấm pin mặt trời silicon cứng truyền thống, mô-đun quang điện hữu cơ nhẹ, có thể uốn cong và phù hợp để tích hợp vào các sản phẩm đeo.

Các kỹ sư có thể tích hợp vật liệu OPV vào:

• Quần áo thông minh
• Vòng đeo theo dõi thể thao
• Miếng dán y tế
• Kính/thiết bị đeo đầu AR và VR
• Thiết bị an toàn công nghiệp đeo trên người
• Thiết bị da điện tử
• Ba lô thông minh và thiết bị ngoài trời

Trong điều kiện ánh sáng trong nhà, mô-đun OPV có thể tạo ra nguồn điện bổ sung, giúp duy trì hoạt động của cảm biến công suất thấp, mô-đun giao tiếp Bluetooth và hệ thống giám sát môi trường.

Công nghệ pin linh hoạt cho thiết bị điện tử đeo

Chỉ thu năng lượng thôi không thể cung cấp công suất đầu ra ổn định. Một thành phần lưu trữ vẫn là thiết yếu.

Hiện có một số công nghệ pin đang được đánh giá cho các hệ thống lưu trữ năng lượng linh hoạt.

Đối với các sản phẩm thương mại đang bước vào sản xuất hàng loạt hiện nay, pin lithium polymer tùy chỉnh vẫn là giải pháp thực tế nhất nhờ mật độ năng lượng, độ trưởng thành của công nghệ sản xuất và tính linh hoạt trong thiết kế.

Các thông số pin thường dùng trong thiết bị đeo

Tùy theo yêu cầu sản phẩm, thiết bị điện tử đeo có thể sử dụng nhiều nền tảng điện áp và mức dung lượng khác nhau.

Những yếu tố thiết kế kỹ sư không nên bỏ qua

Khi tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng linh hoạt vào thiết bị điện tử đeo, dung lượng pin chỉ là một phần của bài toán.

Các nhóm kỹ thuật cũng nên đánh giá:

• Yêu cầu về bán kính uốn
• Giới hạn độ dày pin
• Dải nhiệt độ hoạt động
• Hiệu suất sạc
• Yêu cầu về tuổi thọ chu kỳ
• Nhu cầu điện năng của giao tiếp không dây
• Độ tin cậy cơ học khi uốn lặp lại
• Yêu cầu chứng nhận an toàn

Trong nhiều dự án thiết bị đeo, pin có hình dạng tùy chỉnh thường mang lại hiệu suất hệ thống cao hơn so với việc cố gắng lắp pin tiêu chuẩn vào một vỏ có hình dạng không đều.

Các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng

Sự kết hợp giữa thu năng lượng và lưu trữ năng lượng đang mở rộng ra ngoài lĩnh vực điện tử tiêu dùng.

Các ứng dụng hiện tại và mới nổi gồm:

• Thiết bị theo dõi bệnh nhân từ xa
• Hệ thống theo dõi glucose liên tục
• Thiết bị đeo cho thể thao và tập luyện
• Nền tảng AR và kính thông minh
• Vải điện tử
• Thiết bị đeo quân sự
• Hệ thống an toàn cho công nhân công nghiệp
• Miếng dán giám sát môi trường
• Mũ bảo hộ thông minh và thiết bị bảo hộ
• Thiết bị giao diện người-máy

Điều này có ý nghĩa gì với các nhà sản xuất sản phẩm

Khi thiết bị điện tử đeo ngày càng mỏng hơn, thông minh hơn và kết nối nhiều hơn, kiến trúc nguồn điện đang chuyển từ một bộ pin độc lập sang một hệ sinh thái năng lượng tích hợp.

Tương lai khó có thể chỉ dựa vào thu năng lượng. Thay vào đó, giải pháp thực tế nhất là kết hợp khả năng thu năng lượng linh hoạt, quản lý nguồn điện thông minh và công nghệ pin sạc tùy chỉnh.

Đối với các nhà sản xuất OEM và ODM đang phát triển thế hệ thiết bị đeo tiếp theo, lựa chọn đúng đối tác pin ngay từ giai đoạn đầu thiết kế có thể đơn giản hóa đáng kể việc tích hợp sản phẩm, thiết kế cơ khí, chứng nhận an toàn và mở rộng quy mô sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống lưu trữ năng lượng linh hoạt là gì?

Một hệ thống lưu trữ năng lượng linh hoạt kết hợp pin có thể uốn cong với công nghệ thu năng lượng để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử đeo và di động.

2. Mô-đun quang điện hữu cơ có thể thay thế hoàn toàn pin không?

Không. Mô-đun quang điện hữu cơ cung cấp năng lượng bổ sung, trong khi pin vẫn cần thiết để cung cấp nguồn điện ổn định và lưu trữ năng lượng.

3. Vì sao pin lithium polymer được sử dụng rộng rãi trong thiết bị đeo?

Pin lithium polymer có mật độ năng lượng cao, hình dạng có thể tùy chỉnh, kết cấu nhẹ và tương thích với các thiết kế điện tử nhỏ gọn.

4. Điện áp pin nào thường được dùng trong thiết bị đeo?

Các nền tảng điện áp phổ biến gồm 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V và 3.88V. Các hệ thống đeo lớn hơn có thể sử dụng bộ pin 7.4V, 11.1V hoặc 14.8V.

5. Dải dung lượng điển hình của thiết bị điện tử đeo là bao nhiêu?

Dung lượng dao động từ dưới 50mAh ở nhẫn thông minh đến hơn 5000mAh ở thiết bị đeo công nghiệp và hệ thống điện toán di động.

6. Pin ion kẽm có phù hợp với ứng dụng thiết bị đeo không?

Pin ion kẽm có các đặc tính hấp dẫn về độ an toàn và tính linh hoạt, phù hợp với một số ứng dụng y tế và thiết bị đeo, dù pin lithium polymer hiện vẫn chiếm ưu thế trong sản xuất thương mại.

7. Pin dành cho thiết bị đeo có thể tùy chỉnh những gì?

Nhà sản xuất có thể tùy chỉnh kích thước, độ dày, điện áp, dung lượng, mạch bảo vệ, đầu nối, chiều dài dây, giao thức truyền thông và kết cấu đóng gói cơ khí của pin theo yêu cầu sản phẩm.