Ladattaviin litium-nappikennoihin on tehty parannuksia, joiden ansiosta pienten laitteiden latausväliä voidaan merkittävästi pidentää. Tämä on käyttäjän kannalta hyvin tärkeää yhä pienempään kokoon kutistuvissa puettavan elektroniikan tuotteissa.
|
Artikkelin kirjoittaja Matthias Dorsch toimii Varta Microbatteryn CoinPower-akkujen tuotepäällikkönä. |
Tilan ja painon kutistamisen tuomat haasteet ovat tuttuja kannettavien lääkintälaitteiden ja muun puettavan elektroniikan suunnittelijoille. Kuluttajien vaatimuksille yhä ohuemmista, kevyemmistä ja tyylikkäämmistä laitteista ei näytä olevan rajaa. Hyvä esimerkki lääkinnällisen laitteen suunnittelun rajoista on korvaan sijoitettava kuuloke, jonka koon ja muodon sanelee ihmiskorvan rakenne.
Elektroniikassa ns. Mooren lakia noudatteleva mikropiirien koon jatkuva kutistuminen on auttanut suunnittelijoita pakkaamaan yhä enemmän toimintoja yhä pienempään tilaan. Sen sijaan energian varastoinnissa koon kutistamisen eteneminen riippuu tunnetuista akkukemian reaktioista ja materiaaleista. Ikävä kyllä kemian puolella ei ole Mooren lain kaltaista kehityssääntöä, joka ohjailisi samaan tapaan akkukennojen koon kutistamista.
Tästä huolimatta valmistajien tarpeet saada yhä enemmän energiaa pakatuksi yhä pienempään tilaan voidaan ratkaista akkuteknologian uusien innovaatioiden avulla. Tässä artikkelissa kuvataan, kuinka uudentyyppiseen ladattavaan nappikennoon tehdyt parannukset auttavat kaikkein pienikokoisimpia elektroniikkalaitteita toimimaan yhdellä latauksella pitempään kuin koskaan aikaisemmin.
Litium-teknologian haittapuolet
Lääketieteen ja kulutuselektroniikan laitteissa on otettu laajaan käyttöön eri tyyppisiä litium-pohjaisia akkutekniikoita. Litium-ioni-rakenteen kemiaan perustuvat ladattavat akut tarjoavat energiakapasiteetille paremman tilavuus- ja painosuhteen kuin mikään muu massavalmisteinen akkukemia. Tästä syystä enemmistössä pienistä ja keveistä kannettavista laitteista käytetään ladattavia litium-ionikennoja.
Aiemmin valmistajat ovat kohdanneet suuria vaikeuksia litium-ioniakkujen pienentämisessä matkapuhelinta pienempiin laitteisiin sopiviksi. Hyvänä esimerkkinä tästä ovat langattomat kuulokkeet, joissa sovelletaan Bluetooth-pohjaista tiedonsiirtoa.
Viime vuosina langattomissa kuulokkeissa on käytetty asiakaskohtaisesti räätälöityjä litium-ioniakkuja, joissa akkukenno on suljettu alumiinifolion sisään pussimaiseksi rakenteeksi. Kytkentä isäntälaitteeseen on tehty irrallisin virransyöttöjohdoin.
Kuva 1. Pussimaiseen koteloon pakattu perinteinen litium-ioniakku.
Tämä mutkikas rakenne on suhteellisen isokokoinen ja mikä vieläkin pahempaa, pussimaisten akkujen käsitteleminen laitteiden tuotantolinjalla on hyvin hankalaa. Ne vaativat manuaalista kokoonpanoa, joten akut ovat luonnostaan alttiita laadunvaihteluille ja vaurioille. Lisäksi pussimainen kotelo on laitteen käyttöjakson aikana altis vaurioitumaan ennenaikaisesti, kun siihen kohdistuu iskuja ja tärinää. Tämä ei ole suotavaa esimerkiksi kuulokkeissa, jotka saattavat toistuvasti pudota liikuntaharrastusten yhteydessä.
Lisäksi vain yhdelle asiakkaalle räätälöity tuote sisältää toimitusketjussaan paljon suuremman riskin kuin tavallinen standardikomponentti, jota valmistetaan ja varastoidaan suuria määriä useille asiakkaille.
Nämä haittapuolet johtivat vaihtoehtoisen akkutyypin kehittämiseen pienille laitteille kuten langattomille kuulokkeille. Näin syntyi Vartan kehittämä CoinPower-tuoteperhe. Kyseessä on teollisuuden ensimmäinen ladattava litium-ioniakku, joka on pakattu nappipariston muotoon pieniä kulutuselektroniikan laitteita varten. Näiden nappikennojen ensimmäinen sukupolvi oli saatavissa halkaisijaltaan 12 ja 16 millin versioina ja 3,7 voltin lähtöjännitteellä.
CoinPower-kennojen kehittämisen taustalla on yhtiön patentoima teknologia, joka mahdollistaa käämittyihin elektrodeihin perustuvien nappikennojen automatisoidun tuotannon. Elektrodien käämintään perustuva menetelmä mahdollistaa nappikotelon sylinterimäisen tilan hyödyntämisen mahdollisimman tehokkaasti. Lisäksi Varta on kehittänyt patentoidun rakenteen kotelon sulkemiseksi. Näiden tekniikoiden ansiosta kennojen energiatiheys on merkittävästi suurempi kuin aiemmilla litium-kennoilla, jotka perustuvat pinottuihin tai kerrostettuihin elektrodirakenteisiin. Automatisoitu tuotantoprosessi yhtiön Saksan-tehtaalla on toistettavuudeltaan korkeaa tasoa ja varmistaa, että jokainen tuotettu kennoyksilö toimii spesifikaatioiden mukaisesti.
Kennojen aiempaa suurempi kapasiteetti tarjoaa ratkaisevan edun pienten elektroniikkalaitteiden valmistajille. Lisäksi niiden kestävä ja jäykkä, ruostumattomasta teräksestä valmistettu kotelo tarjoaa lisäetuja:
- Lopputuotteen helppo kokoonpano vailla riskiä vaurioitumisesta
- Akun mekaanisten pidikerakenteiden suuri mittatarkkuus
- Hyvä sietokyky iskuja ja tärinää vastaan.
On tärkeää huomata, että kennon tueksi tarvittava elektroniikkakin on pienikokoista. CoinPower-kenno vaatii vain yksinkertaisen suojapiirin, joita toimittavat edulliseen hintaan esimerkiksi Seiko ja Mitsumi. Lisäksi tarvitaan kaksi passiivikomponenttia. Tavanomaisia akkulatureita varten on tarjolla laaja valikoima mikropiirejä, jotka tukevat kennon varausprosessia. Näiden piirien vaatima pinta-ala on merkittävästi pienempi kuin monimutkaisella tavalla piirilevyihin liitetyillä, asiakaskohtaisesti räätälöidyillä akkupaketeilla. Ja mikä vieläkin tärkeämpää, tukipiirien ei tarvitse olla kennon lähellä, joten suunnittelijat voivat optimoida piirilevyn osien sijoittelun ja mekaanisen rakenteen vapaasti.
Laitevalmistajat voivat välttää räätälöityjen akkupakettien suunnitteluun ja tuotantoon liittyviä kustannuksia ja riskejä, koska nappimainen akkukenno on standardiosa ja sitä tukevan elektroniikan voi helposti rakentaa standardikomponentteja käyttäen.
Turvallisuus on toinen tärkeä syy ensimmäisen sukupolven kennojen laajalle käytölle. Useimmat litium-ioniakut toimivat turvallisesti, kun virta- ja jännitearvot pysyvät sallituissa rajoissa. Mutta ylivirtatapauksissa tai liian kuumassa ympäristössä seurauksena voi olla terminen ryntäys, joka saattaa johtaa akun syttymiseen tai jopa räjähtämiseen. Tästä syystä litium-ioniakku vaatii aina turva- ja suojauspiirit, jotka kytkevät kennon irti virtapiiristä, jos sallitut turvarajat ylitetään.
CoinPower-kennon etuna on, että se tarjoaa ulkoisista piireistä riippumattoman integroidun suojamekanismin, joka kytkee kennon irti ennen kuin se ajautuu turvattomaan ylivirtatilaan. Tämä tarjoaa ylimääräisen suojaustason käyttäjän turvallisuuden varmistamiseksi.
Tämä integroitu virrankatkaisuväline toimii mekaanisena sulakkeena: kun paine kennon sisällä kasvaa tietyn rajan yli – kuten tapahtuu, jos kennoa ladataan ylisuurella virralla tai jännitteellä – kotelon ylä- ja alaosa erkanevat hallitusti hieman toisistaan. Tämä katkaisee virtapiirin ja kytkee akun pysyvästi irti piiristä. CoinPower-kennot on luokiteltu kestämään 12V/3C-tason ylilataustilanteita, mikä on merkittävästi enemmän kuin akkujen teollisuusstandardeissa vaaditaan. Tässä 1C vastaa virtaa, jolla täyteen ladattu akku tyhjenee kokonaan yhden tunnin pituisen purkausjakson aikana.
Parannuksia kennon toimintaan
Litium-ioni-pohjaisesta nappikennosta on sittemmin tullut erittäin tiheästi pakattujen kannettavien laitteiden valmistajille ensisijainen valinta kohteisiin, jotka vaativat suurta, yli 50 milliampeeritunnin varauskapasiteettia. Sille on löytynyt käyttöä sekä kulutuselektroniikassa, lääkintälaitteissa että teollisuuslaitteissa, joissa kestävyys, suuri kapasiteetti ja pitkä elinkaari ovat tärkeitä.
Vartan CoinPower A3 -kennojen tärkeimmät tiedot.
Alkuperäisen CoinPower-kennon etupuolia on nyt laajennettu esittelemällä uusi A3-kennosarja. Akkukemiaan ja tuotantotekniikkaan tehtyjen parannusten avulla on saatu kasvatettua kennojen kapasiteettia ja käyttöikää. Nappikennojen mitat ja kapasiteetti tarjoavat parhaan soveltuvuuden ihmiskorvan kokoon ja muotoon. Näin ne vastaavat ’aidosti langattomia’ kuulokkeita valmistavien yritysten vaatimuksiin. CoinPower-nappikenno on saatavissa kolmessa eri koossa (ks. kuva).
Ladattavien akkujen standardin mukainen käyttöikä määritetään mittaamalla +20 asteen lämpötilassa varauskapasiteetti 500 lataus-purkaussyklin jälkeen ja laskemalla mitatun lukeman prosentuaalinen osuus akun alkuperäisestä varauskapasiteetista. Vartan ilmoittamien spesifikaatioiden mukaan viidensadan laboratoriossa tehdyn nopean lataus-purkaussyklin (1C/1C) jälkeen A3-sarjan kennojen alkuperäisestä varauskapasiteetista on jäljellä yli 80 prosenttia. Hitaammin ladattaessa (0,2C/0,2C) varauskapasiteetista on 500 syklin jälkeen jäljellä yli 85%. Todellisissa käytännön sovelluksissa laitteiden käyttäjät saavat nauttia erinomaisesta suorituskyvystä elinkaaren aikana: asiakkaat ovat raportoineet kennojen kestävän tyypillisesti yli tuhat lataus-purkaussykliä lopputuotteeseen sijoitettuna.
Pienten kennojen kehitystrenditKulutuselektroniikan laitevalmistajien vaatimukset yhä suuremmasta varauskapasiteetista yhä pienemmässä koossa eivät ole laantumassa. ’Aidosti langattomat’ kuulokkeet on yksi viime aikoina yleistynyt laiteryhmä, joka venyttää kennokapasiteetin rajoja: siinä on kaksi erillistä langatonta korvanappia ilman kaapeliliitäntöjä. Hyvä esimerkki tämän ryhmän varhaisen vaiheen tuotteesta on saksalaisen Bragi-yhtiön kehittämä kuulokeratkaisu The Dash. Se on myös hyvä demonstraatio mahdollisille lääkinnällisten kuulokesovellusten kehittäjille.
Saksalaisen Bragin valmistamat The Dash -kuulokkeet ovat paljon perinteisiä kuulokeratkaisuja pienemmät. Bragin ratkaisussa molemmissa korvanapeissa on oma radio, kun perinteisissä langattomissa kuulokkeissa on vain yksi yhteinen radio. Sen vuoksi kumpikin korvanappi tarvitsee myös oman akkunsa. Bragin laitteen vaatimusten täyttämiseksi Varta kehitti CoinPower-tuotteestaan kolmannen polven version, joka esiteltiin viime vuoden joulukuussa. Kennon varauskapasiteettia ja energiatiheyttä onnistuttiin kasvattamaan 20 prosenttia parantamalla akkukemiaa, elektrodien rakennetta ja valmistustekniikoita. Uusi nappikenno on saatavissa myös halkaisijaltaan 14 millimetrin kotelossa aiempien 12 ja 16 mm koteloiden lisäksi. Kehitetty uusi kennoratkaisu täyttää laitevalmistajien vaatimukset rakenteeltaan vahvasta ja helposti asennettavasta akusta, jolla on suuri varauskapasiteetti nappikennon muodossa. CoinPower-kenno varmistaa, että potilaat ja muut laitteenkäyttäjät voivat nauttia pitkistä käyttöjaksoista latausten välillä ja myös akkukennon pitkästä kestoiästä. |
Lääkintälaitteiden internet (IoMT) yhdistää diagnostiikan, puettavat anturit ja sairaalalaitteet pilvipohjaisiin järjestelmiin. Etävalvonta, reaaliaikainen data ja koneoppiminen lupaavat parempaa hoidon laatua ja kustannussäästöjä, mutta samalla ratkaistavaksi jäävät yhteentoimivuus, sääntely ja tietoturva.