中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

专注于为医疗器械研发与生产服务

2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

 

上海医疗器械展探索可穿戴设备能源优化方案:柔性自供电系统

2022-06-16

而随着全球疫情之后的消费电子需求变化,具有初步诊断和健康监测功能的可穿戴设备将会逐渐成为市场的新宠。但同时为了满足可穿戴和柔性电子产品日益增长的能源需求,一个直接的策略是增加柔性储能设备的体积容量,包括其能量和功率密度。然而,创建具有越来越多功能的集成微型化平台的趋势对可持续供电提出了相当大的挑战。上海医疗器械展Medtec中国展逐渐意识到多个组件的高功率消耗不可避免地导致提前更换电池或频繁充电,造成不便。相比之下,将这些柔性设备的能量密度提高到非常高的水平,会带来安全问题,特别是在可穿戴的应用中,这些设备经常承受反复的机械压力。

因此一个能够从环境中获取能量并同时为储能设备充电而不需要外部电力来源的柔性自充电系统将是一个有前途的解决方案。一个典型的柔性自充电系统在一个基底上整合了至少两种类型的能量收集和存储的设备,并涉及三个能量转换步骤。各种灵活的能量收集技术可以将环境能量转化为电能。这些技术包括采集光能的太阳能电池,采集机械能的摩擦静电和压电技术,采集热能的热电技术和热释电技术,以及转换生化能量的生物燃料电池。光、热、振动、身体运动甚至汗水都可以成为日常生活中的能量来源。为了利用这些丰富的、间歇性的和随机分布的能源,将采集的电能转化为电化学能并输出电力的兼容储能装置对于电力的稳定性和可持续性是必不可少的。

研究成果
电力供应是实现无拘束的可穿戴电子设备、软机器人和物联网的瓶颈之一。灵活的自充电电源在同一平台上集成了能量采集器、电源管理电子器件和储能单元;它们从环境中采集能量,同时储存产生的电力以供消耗。因此,它们能够实现自供电、可持续和免维护的柔性电子。然而,当从单个设备转向实际应用的集成系统时,出现了与材料工程、机械和设备设计相关的挑战。在这篇综述中,苏州大学Ruiyuan Liu教授等人讨论了作为电源的各种柔性自充电技术,包括柔性太阳能电池、机械能量采集器、热电、生物燃料电池和具有柔性储能元件的混合装置的组合。考虑了动力源集成在软性电子产品中的示范性应用。最后,概述了研究和开发柔性自充电电源的新挑战、战略和机会。 图文导读


Fig. 1 | Mechanisms of flexible ambient energy harvesters.



Fig. 2 | Charging mechanisms of flexible energy-storage devices.



Fig. 3 | Mechanisms of self-charging power sources.



Fig. 4 | Power management in self-charging power sources.

上海医疗器械展Medtec中国展自2016年起布局医疗电子,从最初的电子部件、电机&传动控制展区到2021年首开的高端医疗设备设计与制造专区,目前已经有包括日立金属投资(中国)有限公司 、砷泰中国 、东莞市雨菲电子科技有限公司、上海孚蕊哲静电科技有限公司 、深圳市格兰拓普电子有限公司和杭州通鉴科技有限公司等多家企业入驻参展,2022.8.31-9.2上海世博展览馆1&2号馆开展。点击快速预登记。



Fig. 5 | applications of flexible self-powered sensing systems.

总结与展望
尽管柔性自充电系统很有前景,但其效率仍然低于刚性设备。在柔性平台上管理不同类型的能源设备需要在不同方面取得进展,如材料工程、设备设计和电源管理,以保持设备性能,甚至实现协同效应。如果没有适当的工程设计,一个高效的能量收集器可能会因为不匹配或负载损失而导致能量储存不良。在技术升级迭代的过程中,业内多家厂商在2022年上海医疗器械展Medtec中国展上推出池保护的创新方案,借一步解决了相关安全问题。相信未来随着无线充电、快充等需求的增长,电源管理芯片将迎来新的升级。

1. 材料开发,新材料是高效柔性自充电系统的关键。2. 器件设计,柔性集成器件的设计通常包括多个层,这些层需要在一定程度的重复机械变形下正常工作。在这样的配置中,相对较薄的活性层比设备的其他部分经历更多的应变,这有可能导致界面不匹配或薄膜裂缝。3. 建立一般标准,由于各部件之间在材料、设备配置和能源方面的差异,在这一早期阶段,需要制定一般标准来评估集成设备在系统层面的电气性能。4. 减少能量损失,能量采集和存储设备的电压或阻抗匹配是一种有效而简单的方法,可以减少充电过程中的能量损失。5. 满足应用要求,无论是否恒定,自充电电源的输出至少应达到几十瓦,以支持一个完全独立的可穿戴设备。6. 寿命匹配,一个可靠的柔性电源不仅要考虑单个部件的寿命,还要考虑它们对集成系统的影响。

来源:i学术i科研