За пределами плоской батарейки: руководство инженера по решению 5 основных проблем, связанных с разработкой индивидуальных аккумуляторов для носимых устройств

Рынок носимых технологий, как ожидается, вырастет более чем на до 190 млрд долларов США к 2032 году, что является свидетельством неустанных инноваций в области датчиков, процессоров и средств связи. Однако, несмотря на все эти достижения, самым серьёзным препятствием для следующего поколения умных колец, медицинских пластырей и очков дополненной реальности остаётся аккумулятор. Готовые решения по электропитанию — это тупик, вынуждающий разработчиков идти на компромиссы, жертвуя эргономикой, производительностью и доверием пользователей.

По-настоящему инновационное носимое устройство требует специально разработанного источника питания. Речь идёт не просто о том, чтобы разместить аккумулятор в небольшом пространстве; это сложная междисциплинарная инженерная задача, сочетающая в себе химию, механику и прошивку. В этом руководстве подробно рассматриваются пять важнейших проблем разработки специализированных аккумуляторных батарей для носимых устройств и описываются инженерные решения, необходимые для их преодоления.

1. Тирания космоса: освоение миниатюризации и сложных форм-факторов

В дизайне носимых устройств каждый кубический миллиметр на вес золота. Задача выходит за рамки простой миниатюризации; необходимо создать источники питания, соответствующие непрямоугольным, эргономичным формам устройств, которые находятся на теле человека.

Инженерное решение: специализированная ячеичная технология

Стандартные цилиндрические или призматические элементы — не лучший вариант. Решение кроется в передовой технологии литий-полимерных (LiPo) аккумуляторов, позволяющей радикально изменять форму и размер аккумуляторов.

• Клетки в форме мешочка:Для устройств типа смарт-колец или наушников, где внутренняя полость имеет изогнутую или неровную форму, Элементы LiPo-пакетов Они незаменимы. Они могут быть изготовлены в изогнутой, D-образной, C-образной или даже многоугольной форме, что позволяет дизайнерам максимально эффективно использовать каждое свободное пространство. Именно так многофункциональное смарт-кольцо позволяет уместить всю свою электронику, включая изогнутый литий-полимерный аккумулятор, в браслет толщиной всего несколько миллиметров.
• Ультратонкие и узкие батареи:Для медицинских пластырей или умной одежды толщина — главный враг. Специальные сверхтонкие батареи LiPo Толщина элементов может составлять всего 0.5 мм, а ультратонкие элементы — всего 4.1 мм. Это позволяет легко интегрировать источник питания, не создавая громоздкого корпуса.
• Усовершенствованные материалы для более высокой плотности:Для достижения максимального времени работы этих крошечных ячеек критически важна плотность энергии. Такие инновации, как использование кремний-углеродных анодов вместо традиционных графитовых, могут увеличить энергоёмкость аккумулятора до 30% без изменения его физических размеров — это революционный подход к продлению срока службы смарт-кольца с 4 дней до более чем недели.

2. Энергетическая трилемма: баланс плотности, подачи энергии и жизненного цикла

Пользователь носимых устройств ожидает многодневного времени автономной работы, но высокопроизводительные датчики и процессоры устройства требуют высоких пиковых токов, которые могут негативно сказаться на долгосрочном ресурсе аккумулятора. Заявление в спецификации о «500 циклах» часто бессмысленно, поскольку это значение обычно измеряется в идеальных условиях с низкой нагрузкой, которые не соответствуют реальным условиям использования.

Инженерное решение: системный подход к управлению электропитанием

Решение этой трилеммы требует выхода за рамки самого элемента и проектирования всей системы подачи энергии, как показано на рисунке. Комплексные решения Texas Instruments для питания очков дополненной реальности.

Выбор химии для конкретного применения: Выбор материалов катода и анода — это критически важный компромисс. Высокопроизводительная гарнитура дополненной реальности нуждается в LiPo-аккумулятор с высокой скоростью разряда Для обработки скачков напряжения процессора и дисплея. В отличие от этого, жизненно важный носимый медицинский датчик выиграл бы от более стабильной литий-железо-фосфатной батареи (LiFePO4), которая обеспечивает превосходную термостабильность и более длительный срок службы за счёт несколько меньшей плотности энергии.

Оптимизация для низкого тока покоя (Iq): Носимые устройства большую часть времени проводят в режиме ожидания с низким энергопотреблением. Интегральные схемы управления питанием (ИСУ), особенно понижающие DC/DC-преобразователи, питающие главный процессор, должны иметь крайне низкий ток покоя (Iq). Современные компоненты, такие как BQ25120A от Texas Instruments, имеют ток покоя всего 700 наноампер (нА), что значительно увеличивает время между зарядками.

Реалистичная проверка жизненного цикла: Вместо того, чтобы полагаться на типовое техническое описание, настоящий инженер-партнер проверит аккумулятор, используя смоделированный профиль нагрузки, который точно имитирует фактическое использование устройства — от показаний высокоточных датчиков до энергосберегающих режимов сна. Это единственный способ точно предсказать реальную деградацию аккумулятора и предоставить конечному пользователю достоверную оценку срока службы.   Методология тестирования Keysight, основанная на шаблонах использования и Процедуры испытаний на цикличность Emitech, соответствующие требованиям IEC предоставлять точные реальные прогнозы деградации аккумулятора.

3. Невидимый страж: проектирование интеллектуальной BMS для миниатюрных систем

Для современного носимого устройства простого модуля защиты (PCM) недостаточно. Учитывая близость аккумулятора к коже пользователя, интеллектуальная система управления аккумулятором (BMS) становится неотъемлемым «мозгом» устройства, обеспечивающим безопасность, производительность и надёжность.

Инженерное решение: индивидуально настроенная прошивка и точный мониторинг

• Индивидуально разработанные параметры безопасности:Специальная система управления питанием (BMS) позволяет настроить прошивку под конкретный рабочий профиль устройства. Предельные значения тока, напряжения и температуры устанавливаются с запасом для нормальной работы в пиковых режимах (например, при выходе процессора из спящего режима), не вызывая нежелательных отключений, при этом обеспечивая надежную защиту от реальных неисправностей.
• Точный контроль уровня топлива:Для медицинских устройств «тревожность во время работы» может стать серьёзной проблемой. Сложная система управления аккумулятором (BMS) со специальной микросхемой для измерения уровня заряда (например, MAX17260) использует передовые алгоритмы, такие как счётчик кулонов, для точного определения уровня заряда (SoC) и, что не менее важно, состояния работоспособности (SoH). Это позволяет пользователю не только определить оставшийся заряд, но и определить, когда срок службы аккумулятора подходит к концу и требуется его замена.
• Интегрированный тепловой мониторинг:Система управления аккумуляторными батареями (BMS) должна активно контролировать температуру элементов питания с помощью NTC-термистора. Эти данные используются для предотвращения зарядки или разрядки при экстремальных температурах (например, ниже 0°C или выше 55°C для большинства литиевых элементов), что является основной причиной необратимого повреждения аккумулятора и серьёзной угрозой безопасности.

4. Реальные испытания: обеспечение долговечности, безопасности и соответствия международным стандартам

Носимые устройства живут нелегко. Они подвергаются постоянному движению, случайным ударам, вибрациям, воздействию пота и влаги. Обеспечение безопасности и надёжности в таких условиях — сложная задача с точки зрения механики и нормативного регулирования.

Инженерное решение: многоуровневая стратегия безопасности и сертификации

• Прочная механическая конструкция:Корпус аккумулятора должен быть спроектирован таким образом, чтобы защищать чувствительные элементы от проколов и ударов. Важно также учитывать естественное разбухание литий-полимерных аккумуляторов по мере их старения, оставляя внутри достаточно места для предотвращения механических нагрузок на другие компоненты устройства. Для устройств, подверженных воздействию влаги, водонепроницаемость и коррозионно-стойкие контакты имеют решающее значение.
• Навигация по глобальным сертификациям:Именно здесь многие разработки продуктов терпят неудачу. Индивидуальный аккумуляторный блок должен быть разработан с нуля, чтобы соответствовать сложной системе стандартов безопасности и транспортировки. Опытный инженер-партнер управляет всем этим процессом, обеспечивая соответствие таким ключевым стандартам, как МЭК 62133-2 (основной стандарт безопасности для портативных литиевых систем), UL 2054 (для бытовых и коммерческих батарей), а также особые требования к медицинским приборам (МЭК 60601-1).

5. Последний рубеж: воплощение энергии в ткани

Для следующего поколения носимых устройств, особенно для «умной» одежды, аккумулятор не может быть отдельным жёстким компонентом. Он должен стать неотъемлемой и гибкой частью самого текстиля.

Инженерное решение: усовершенствованные гибкие и волоконные батареи

• Гибкий Подход Твердотельные батареи:Эти новые технологии заменяют жидкий электролит в традиционных литий-ионных аккумуляторах на гибкий твердотельный полимер. Это не только позволяет аккумулятору изгибаться и скручиваться вместе с тканью, но и повышает безопасность, исключая использование легковоспламеняющихся жидких электролитов.
• Технология волоконных аккумуляторов:Раздвигая границы, исследователи разрабатывают методы создания аккумуляторов в виде тонких волокон. Это включает в себя ламинирование анода, катода и сепаратора в плоскую стопку, а затем точную лазерную резку для создавать нити шириной всего 700 микрометров— шириной примерно в пять человеческих волос. Эти волокна можно затем вплести или вплести непосредственно в одежду, создав по-настоящему интегрированный источник энергии.

• Текстиль для сбора энергии:Заглядывая в будущее, можно предположить, что умные ткани смогут не только накапливать энергию, но и собирать её. Разрабатываются такие технологии, как эластичные нитяные аккумуляторы, активируемые потом, которые используют электролиты, содержащиеся в поту человека, для генерации энергии, что открывает путь к созданию умной одежды с автономным питанием.

Вывод: вашему носимому устройству нужен инженерный партнер, а не поставщик компонентов

Уникальные задачи питания носимых устройств невозможно решить, просто выбрав аккумулятор из каталога. Для этого требуется комплексный инженерный подход, объединяющий химию элементов, механическую конструкцию, разработку прошивки и экспертизу в области нормативного регулирования.

Поставщик готовой продукции продаёт продукт. Инженерный партнёр, например, Large Power Мы предлагаем полностью интегрированное и безопасное решение для электроснабжения. Мы работаем как часть вашей команды, участвуя в разработке проекта с первого дня, проводя тщательные испытания в наших лабораториях, ориентированные на конкретные задачи, и управляя всем процессом сертификации и цепочки поставок.

Не позволяйте аккумулятору испортить ваш дизайн. Сотрудничайте с Large Powerинженерной команды для создания пользовательский аккумулятор мощное решение, которое способствует вашим инновациям, а не ограничивает их.