Energiemanagement ist für heutige mobile Geräte von entscheidender Bedeutung, da ihre Nutzbarkeit weitgehend von ihrer Autonomie abhängt. Als erfahrener Engineering-Partner von Deep-Tech-Unternehmen entwickelt und optimiert Helbling Energiemanagementlösungen und legt einen besonderen Fokus auf die Benutzerfreundlichkeit. Fachleute entwerfen und bauen Prototypen auf der Grundlage ihres technischen Fachwissens und führen Tests mit einer hochmodernen Laborinfrastruktur durch.
Mobile Geräte und Wearables sind allgegenwärtig, sowohl in der Unterhaltungselektronik als auch in der Medizintechnik und anderen Bereichen. Dabei verlangen die Nutzer nach immer grösserer Autonomie und ständiger Verfügbarkeit ihrer Geräte. Die Stromversorgung dieser elektronischen Geräte erfordert fundiertes technisches Fachwissen, um die beste Benutzerfreundlichkeit und Leistung zu erzielen.
Helbling hat zahlreiche mobile Geräte unter anderem in der Unterhaltungselektronik und Medizintechnik mit einer Vielzahl effizienter Energiemanagementlösungen entwickelt. Zu den Beispielen gehören einige Wearables, angefangen bei Smartwatches, über elektronische Brillen bis hin zu intelligenten Kontaktlinsen. Ob Nischenanwendung oder Massenprodukt – die Expertinnen und Experten von Helbling gehen die Aufgabe mit einer klaren Methodik an.
Drei Aspekte des Energiemanagements bestimmen die Autonomie
Ein Schlüssel zur Maximierung der Benutzerfreundlichkeit ist die Erhöhung der Geräteautonomie. Eine Maximierung erfordert hier sorgfältige Überlegungen zu Aspekten des Energiemanagements während der Entwicklung. In der Welt der Technik lässt sich das Energiemanagement mobiler Geräte in drei Säulen unterteilen:
- Software-Design für geringen Stromverbrauch
- Verwendung von Elektronik mit geringem Stromverbrauch
- Auswahl der geeigneten Energiequelle
Jeder dieser drei Aspekte ist bei der Entwicklung eines mobilen Geräts wichtig. Das Software-Design kann sicherstellen, dass Konfigurationen mit geringem Stromverbrauch und Schlafmodi effektiv genutzt werden. Die Auswahl der Komponenten und das Elektronikdesign sollen Leckströme minimieren und bestimmte Funktionen bereitstellen, wie zum Beispiel einen Ladekreis für sicheres und schnelles Aufladen, eine Ladeanzeige zur Beurteilung der verbleibenden Energie, Spannungswandler zur Erzeugung der geeigneten Systemspannungen und eine Schutzschaltung zur Gewährleistung der Sicherheit der Energiequelle.
Energiemanagement steht und fällt mit der Auswahl der Energiequelle
Während sich ein gesonderter Helbling-Fachbeitrag mit Energy-Harvesting-Ansätzen für mobile Geräte befasst, konzentriert sich dieser auf die Energiequelle. Sofern das Gerät nicht im passiven Modus betrieben wird, ist eine Energiequelle erforderlich, um unabhängig vom Stromnetz zu arbeiten. Heute basiert die vorherrschende Batterietechnologie auf wiederaufladbaren Li-Ionen- oder Li-Po-Batterien, obwohl es auch Nischenanwendungen mit NiMh-Batterien oder Superkondensatoren gibt. Li-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte die bevorzugte Wahl.
Verschiedene Technologien für Energiequellen, von links nach rechts: Superkondensator, wiederaufladbare Festkörper-Mikrobatterie, wiederaufladbare Li-Ionen-Pouch-Batterie, wiederaufladbare NiMH-Batterie in zylindrischer Form (Grössen nicht massstabsgetreu). Abbildung: Helbling
Ausgangspunkt für die Auswahl der Energiequelle ist ein Energiebudget, das auf einem typischen Anwendungsfall und anderen Einschränkungen basiert. Dies hilft dabei, die wichtigsten Anforderungen an die Batterie zu spezifizieren wie beispielsweise ihre Kapazität. Mechanische Integrationsaspekte schränken die mechanische Grösse der Batterie ein. Bei starken Einschränkungen hinsichtlich der mechanischen Grösse der Batterie ist eine kundenspezifische Anpassung üblich, und in der Regel zu moderaten Kosten möglich. In allen Fällen ist zu beachten, dass Batterien während ihrer Lebensdauer Ausdehnungen oder Schwellungen unterliegen, weshalb die mechanische Integration einer Batterie solche Massabweichungen berücksichtigen muss.
Aus dem Anwendungsfall lassen sich sekundäre Anforderungen an die Batterie ableiten. Dazu zählen etwa der maximale Ladestrom und Entladestrom – die sogenannte C-Rate – sowie die Zykluslebensdauer. Schliesslich dürfen auch Einschränkungen durch Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit nicht vergessen werden.
Aus Sicherheitsgründen kann es erforderlich sein, Alternativen zur Standard-Li-Ionen-Technologie mit flüssigem Elektrolyten zu prüfen. Festkörperbatterien sind eine neue Technologie, die aufgrund ihres festen Elektrolyten ein besseres Sicherheitsprofil aufweisen. Insbesondere im Bereich der Mikrobatterien bieten sie zusätzliche Vorteile wie geringe Abmessungen, hohe Energiedichte und lange Lebensdauer.
Tests sind entscheidend für die Gewährleistung von Zuverlässigkeit und Sicherheit. Am Ende müssen alle Batterien gemäss den geltenden Normen und Standards getestet werden. Dies erfolgt in akkreditierten Testlabors, die den Testbericht ausstellen. Bei sicherheitskritischen Anwendungen, wie das etwa in der Medizintechnik der Fall ist, sollten Hersteller zusätzlich zum Testbericht auf das CB-Zertifikat als international anerkanntes Prüfzeichen für elektrische und elektronische Produkte bestehen. Neben normativen Tests ist es ratsam, Lebensdauertests für den vorgesehenen Anwendungsfall durchzuführen, damit die Werte des Datenblatts unter realen Bedingungen überprüft werden können.
Wie Helblings Energiemanagement-Fachwissen effiziente mobile Geräte ermöglicht
Helbling hat umfassende Erfahrungen sammeln können bei der Entwicklung mobiler Geräte in den Bereichen Unterhaltungselektronik, Medizintechnik und anderen Branchen. Dabei kamen unterschiedliche Energiequellen zum Einsatz, darunter Primär- und Sekundärbatterien sowie Superkondensatoren. Spezifisch wurde nicht nur mit Standard Li-Ionen-Batterietechnologien, sondern auch fortschrittliche Festkörperbatterien gearbeitet. Diese Batterien wurden in Standard Handheld-Geräte, Wearables wie Smartwatches oder elektronische Brillen integriert. Mikrobatterien wurden sogar für elektronische Kontaktlinsen oder implantierbare Intraokularlinsen genutzt.
Ein wichtiger Erfolgsfaktor neben Erfahrungs- und Fachwissen der Teams ist die Laborinfrastruktur von Helbling. Hierzu gehört ein Batterietester für beschleunigte Lebensdauertests. Dabei können mehrere Batterien parallel und gemäss einem definierten Anwendungsfall untersucht werden.
Im Rahmen vergangener Projekte haben diese Batterietests beispielsweise schon dazu beigetragen, kritische Leistungsänderungen von Batterien in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur oder dem Entladestrom zu identifizieren. In der Folge konnte diese Art von Problemen bereits in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses beseitigt werden. In der Praxis werden vorab ausgewählte Batterien in einer feuerfesten Umgebung unter verschiedenen Bedingungen getestet, darunter Temperaturen von -20 °C bis 60 °C und Entladeströme von 0,1 C bis 10 C. Anhand dieser Tests kann das Team die beste Batterie identifizieren, die die Anforderungen an Leistung, Lebensdauer und Sicherheit erfüllt.
Zusammenfassung: Autonomie mobiler Geräte für erstklassige Leistung wird durch technische Exzellenz erreicht
Mobile Geräte und Wearables werden nur dann als tägliche Begleiter genutzt, wenn sie überzeugende Autonomie bieten. Dazu müssen bei der Konzeption, Umsetzung und Erprobung intelligenter Lösungen für das Energiemanagement tragbarer Geräte drei Faktoren optimiert werden: die Softwareentwicklung für einen geringen Energieverbrauch, der Einsatz energiesparender Elektronik und die Auswahl der geeigneten Energiequelle. Helbling bringt seine Expertise in allen drei Bereichen an der Seite von Kunden ein und ermöglicht somit zukunftsfähige mobile Geräte.
Autoren: Mathieu Jeckelmann, Stefan Bauer
Hauptbild: Gemini
