من المتوقع أن ينمو سوق التكنولوجيا القابلة للارتداء إلى أكثر من 190 مليار دولار بحلول 2032، دليلٌ على الابتكار المتواصل في أجهزة الاستشعار والمعالجات والاتصال. ومع ذلك، ورغم كل هذا التقدم، فإنّ العائق الأكبر الذي يعيق الجيل القادم من الحلقات الذكية والرقعة الطبية ونظارات الواقع المعزز هو البطارية. تُشكّل حلول الطاقة الجاهزة طريقًا مسدودًا، مما يُجبر المصممين على تقديم تنازلات تُضحي ببيئة العمل والأداء وثقة المستخدم.
يتطلب أي جهاز قابل للارتداء مبتكر حقًا مصدر طاقة مصممًا خصيصًا. لا يقتصر الأمر على تركيب بطارية في مساحة صغيرة فحسب، بل هو تحدٍّ هندسي معقد ومتعدد التخصصات يوازن بين الكيمياء والميكانيكا والبرامج الثابتة. يقدم هذا الدليل نظرة متعمقة على التحديات الخمسة الحاسمة لتصميم حزم بطاريات مخصصة للتقنيات القابلة للارتداء، ويوضح الحلول الهندسية اللازمة للتغلب عليها.
1. استبداد الفضاء: إتقان التصغير وعوامل الشكل المعقدة
في تصميم الأجهزة القابلة للارتداء، يُعد كل مليمتر مكعب ثمينًا. يتجاوز التحدي مجرد التصغير؛ إذ يتطلب إنشاء مصادر طاقة تتوافق مع الأشكال الهندسية غير المستطيلة للأجهزة التي توضع على جسم الإنسان.
الحل الهندسي: تكنولوجيا الخلايا المخصصة للتطبيق
الخلايا الأسطوانية أو المنشورية القياسية غير قابلة للاستخدام. يكمن الحل في تقنية بوليمر الليثيوم (LiPo) المتقدمة، التي تتيح تخصيصًا جذريًا للشكل والحجم.
- خلايا الجيب المشكلة:بالنسبة للأجهزة مثل الحلقات الذكية أو الأجهزة السمعية، حيث يكون التجويف الداخلي منحنيًا أو غير منتظم، يتم تصميمه بشكل مخصص خلايا الجيب LiPo أساسية. يمكن تصنيعها بأشكال منحنية، أو على شكل حرف D أو C، أو حتى متعددة الأضلاع، مما يسمح للمصممين باستغلال كل مساحة متاحة على أكمل وجه. بهذه الطريقة، يمكن للحلقة الذكية الغنية بالميزات أن تستوعب جميع مكوناتها الإلكترونية، بما في ذلك بطارية LiPo المنحنية، داخل شريط لا يتجاوز سمكه بضعة مليمترات.
- البطاريات الرفيعة جدًا والضيقة:بالنسبة للرقعة الطبية أو الملابس الذكية، فإن السُمك هو العدو. بطاريات LiPo فائقة النحافة مخصصة يمكن تصنيعها لتكون رفيعة بسمك ٠.٥ مم، ويمكن أن يصل عرض الخلايا فائقة الصغر إلى ٤.١ مم. هذا يسمح بدمج مصدر الطاقة بسلاسة دون إحداث أي إزعاج.
- مواد متقدمة لكثافة أعلى:لتحقيق أقصى استفادة من هذه الخلايا الصغيرة، تُعد كثافة الطاقة أمرًا بالغ الأهمية. يمكن لابتكارات مثل استخدام أنودات السيليكون والكربون بدلًا من الجرافيت التقليدي أن تزيد سعة طاقة البطارية بنسبة تصل إلى 30% دون تغيير أبعادها المادية، وهو ما يُحدث نقلة نوعية في إطالة عمر الخاتم الذكي من 4 أيام إلى أكثر من أسبوع.
2. معضلة الطاقة الثلاثية: موازنة الكثافة، وتوصيل الطاقة، وعمر الدورة
يتوقع مستخدم الأجهزة القابلة للارتداء عمر بطارية يدوم لأيام، لكن مستشعرات ومعالجات الجهاز عالية الأداء تتطلب تيارات ذروة عالية قد تؤثر سلبًا على صحة البطارية على المدى الطويل. غالبًا ما تكون ورقة المواصفات التي تزعم "500 دورة" غير ذات معنى، إذ يُقاس هذا عادةً في ظروف مثالية ومنخفضة الضغط لا تعكس الاستخدام الفعلي.
الحل الهندسي: نهج نظامي لإدارة الطاقة
يتطلب حل هذه المعضلة الثلاثية النظر إلى ما هو أبعد من الخلية نفسها وهندسة نظام توصيل الطاقة بأكمله، كما هو موضح بواسطة حلول الطاقة الشاملة لنظارات الواقع المعزز من Texas Instruments.
اختيار الكيمياء حسب التطبيق: يُعد اختيار مواد الكاثود والأنود مفاضلة حاسمة. تحتاج سماعة الواقع المعزز عالية الأداء إلى بطارية LiPo عالية معدل التفريغ للتعامل مع طفرات الطاقة الناتجة عن معالجها وشاشتها. في المقابل، سيستفيد جهاز استشعار طبي قابل للارتداء، بالغ الأهمية للحياة، من بطارية ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4) أكثر استقرارًا، والتي توفر ثباتًا حراريًا فائقًا وعمرًا افتراضيًا أطول على حساب كثافة طاقة أقل قليلًا.
التحسين للتيار الساكن المنخفض (Iq): تقضي الأجهزة القابلة للارتداء معظم وقتها في وضع الاستعداد منخفض الطاقة. يجب أن تتمتع دوائر إدارة الطاقة المتكاملة (PMICs)، وخاصةً محولات باك DC/DC التي تُغذي المعالج الرئيسي، بتيار سكون منخفض للغاية (Iq). تتميز المكونات الحديثة، مثل BQ25120A من Texas Instruments، بتيار سكون منخفض يصل إلى 700 نانو أمبير (nA)، مما يُطيل بشكل كبير الفترة الزمنية بين عمليات الشحن.
التحقق من صحة دورة الحياة الواقعية: بدلاً من الاعتماد على ورقة بيانات عامة، سيختبر الشريك الهندسي الحقيقي البطارية باستخدام نموذج تحميل مُحاكي يُحاكي بدقة الاستخدام الفعلي للجهاز، بدءًا من قراءات مستشعر التيار العالي ووصولًا إلى أوضاع السكون منخفضة الطاقة. هذه هي الطريقة الوحيدة للتنبؤ بدقة بتدهور أداء البطارية في الواقع الفعلي، وتقديم تقدير موثوق لعمر البطارية للمستخدم النهائي. منهجية الاختبار القائمة على نمط الاستخدام من Keysight و إجراءات اختبار الدراجات المتوافقة مع معايير IEC من Emitech توفير تنبؤات دقيقة لتدهور البطارية في العالم الحقيقي.
3. الحارس الخفي: تصميم نظام إدارة بطاريات ذكي للأنظمة المصغرة
وحدة دائرة حماية بسيطة (PCM) لا تكفي لجهاز قابل للارتداء في عصرنا الحديث. ونظرًا لقرب البطارية من جلد المستخدم، يُعد نظام إدارة البطارية الذكي (BMS) بمثابة العقل المُحكم، وهو ضروري للسلامة والأداء والموثوقية.
الحل الهندسي: برامج ثابتة مخصصة ومراقبة دقيقة
- معايير السلامة المخصصة:يتيح نظام إدارة البطاريات (BMS) المُخصص ضبط البرامج الثابتة وفقًا لملف التشغيل الخاص بالجهاز. تُضبط قيم قطع التيار الزائد والجهد الزائد ودرجة الحرارة بما يكفي لتشغيل الذروة العادية (مثل استيقاظ المعالج) دون التسبب في توقفات مزعجة، مع توفير حماية قوية ضد ظروف الأعطال الحقيقية.
- قياس دقيق للوقود:بالنسبة للأجهزة الطبية، قد يُشكّل "قلق وقت التشغيل" مشكلةً خطيرة. يستخدم نظام إدارة البطارية المتطور المزود بدائرة متكاملة مخصصة لقياس الوقود (مثل MAX17260) خوارزميات متقدمة مثل حساب الكولوم لتوفير بيانات دقيقة عن حالة الشحن (SoC)، والأهم من ذلك، حالة الصحة (SoH). يُخبر هذا المستخدم ليس فقط بكمية الشحن المتبقية، بل أيضًا متى تقترب البطارية من نهاية عمرها الافتراضي وتحتاج إلى استبدال.
- المراقبة الحرارية المتكاملة:يجب على نظام إدارة البطارية (BMS) مراقبة درجة حرارة الخلية بنشاط عبر مقاوم حراري NTC. تُستخدم هذه البيانات لمنع الشحن أو التفريغ في درجات حرارة قصوى (مثلاً، أقل من 0 درجة مئوية أو أعلى من 55 درجة مئوية لمعظم خلايا الليثيوم)، وهو سبب رئيسي لتلف البطارية الدائم وخطر كبير على السلامة.
4. التحدي الحقيقي: ضمان المتانة والسلامة والامتثال العالمي
تعيش الأجهزة القابلة للارتداء حياةً صعبة. فهي تتعرض للحركة المستمرة، والصدمات العرضية، والاهتزازات، والتعرق والرطوبة. ويُعدّ ضمان السلامة والموثوقية في هذه البيئة تحديًا ميكانيكيًا وتنظيميًا معقدًا.
الحل الهندسي: استراتيجية متعددة الطبقات للسلامة والشهادات
- تصميم ميكانيكي قوي:يجب تصميم غلاف البطارية لحماية خلاياها الرقيقة من الثقوب والصدمات. والأهم من ذلك، يجب أن يُراعي التصميم الانتفاخ الطبيعي لبطاريات LiPo مع تقدمها في العمر، مما يترك مساحة كافية داخل الغلاف لمنع الضغط الميكانيكي على مكونات الجهاز الأخرى. بالنسبة للأجهزة المعرضة للرطوبة، يُعدّ العزل المائي ونقاط التلامس المقاومة للتآكل أمرًا أساسيًا.
- التنقل بين الشهادات العالمية:هنا تكمن نقطة ضعف العديد من تصاميم المنتجات. يجب تصميم حزمة البطارية المخصصة من البداية لتلبية شبكة معقدة من معايير السلامة والنقل. يُدير شريك هندسي ذو خبرة هذه العملية بأكملها، مما يضمن الامتثال للمعايير الرئيسية مثل IEC 62133-2 (معيار السلامة الأساسي لأنظمة الليثيوم المحمولة)، UL 2054 (للبطاريات المنزلية والتجارية)، والمتطلبات الخاصة بالأجهزة الطبية (IEC 60601-1).
| متطلبات الشهادة العالمية
|
|
| الأمم المتحدة شنومكس
اختبارات سلامة النقل بما في ذلك محاكاة الارتفاع، والحرارة، والاهتزاز، والصدمة، والقصر الخارجي، والصدمة/السحق، والشحن الزائد، والتفريغ القسري
|
إرشادات PHMSA
|
| IEC 62133-2
معيار السلامة الأساسية الكهربائية والميكانيكية وإساءة الاستخدام لأنظمة الليثيوم المحمولة
|
اختبار إنترتك
|
| UL 2054
سلامة البطاريات المنزلية/التجارية؛ معيار إجماعي معترف به من قِبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية للأجهزة الطبية
|
اعتراف UL من إدارة الغذاء والدواء
|
| IEC 60601-1
السلامة الأساسية للمعدات الكهربائية الطبية؛ غالبًا ما تقترن بالمعيار IEC 62133-2 للحزم القابلة لإعادة الشحن
|
الفحوصات الطبية
|
5. الحدود النهائية: نسج القوة في النسيج
بالنسبة للجيل القادم من الأجهزة القابلة للارتداء، وخاصةً الملابس الذكية، لا يمكن للبطارية أن تكون مكونًا منفصلًا وصلبًا، بل يجب أن تصبح جزءًا لا يتجزأ ومرنًا من النسيج نفسه.
الحل الهندسي: بطاريات مرنة ومتطورة تعتمد على الألياف
- موعد تقديم مرن بطاريات الحالة الصلبة:تستبدل هذه التقنيات الناشئة الإلكتروليت السائل في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية ببوليمر مرن صلب الحالة. هذا لا يسمح للبطارية بالانحناء والالتواء مع القماش فحسب، بل يعزز أيضًا السلامة بإزالة الإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال.
- تكنولوجيا بطارية الألياف:في إطار توسيع آفاق البحث، يُطوّر الباحثون الآن أساليب لصنع بطاريات على شكل ألياف رقيقة. يتضمن ذلك تغليف مواد الأنود والكاثود والفاصل في كومة مسطحة، ثم استخدام القطع بالليزر الدقيق. إنشاء خيوط يبلغ عرضها 700 ميكرومتر فقط—بعرض خمس شعرات بشرية تقريبًا. يمكن بعد ذلك نسج أو حياكة ألياف البطارية هذه مباشرةً في الملابس، مما يُنتج مصدر طاقة متكاملًا تمامًا.
- حصاد الطاقة في المنسوجات:في المستقبل، قد لا تقتصر قدرة الأقمشة الذكية على تخزين الطاقة فحسب، بل قد تحصدها أيضًا. ويجري تطوير تقنيات مثل بطاريات الخيوط القابلة للتمدد والمنشطة بالعرق، والتي تستخدم الإلكتروليتات الموجودة في عرق مرتديها لتوليد الطاقة، مما يمهد الطريق نحو ملابس ذكية ذاتية التشغيل.
الاستنتاج: جهازك القابل للارتداء يحتاج إلى شريك هندسي، وليس مورد مكونات
لا يُمكن حلّ التحديات الفريدة لتشغيل التقنيات القابلة للارتداء بمجرد اختيار بطارية من كتالوج. بل يتطلب ذلك نهجًا هندسيًا شاملًا يجمع بين كيمياء الخلايا والتصميم الميكانيكي وتطوير البرامج الثابتة والخبرة التنظيمية.
يبيع مورد جاهز منتجًا. شريك هندسي مثل Large Power نقدم حلول طاقة متكاملة وخالية من المخاطر. نعمل كامتداد لفريقكم، ونتعاون في التصميم منذ البداية، ونجري اختبارات دقيقة خاصة بكل تطبيق في مختبراتنا، وندير عملية الاعتماد وسلسلة التوريد بأكملها.
لا تدع البطارية تؤثر على تصميمك. تعاون مع Large Powerفريق الهندسة لإنشاء حزمة بطارية مخصصة حل الطاقة الذي يمكّنك من الابتكار بدلاً من تقييده.
