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La durata della batteria nelle applicazioni Wearable

Ogni nuova generazione di smartphone, fitness band e smartwatch offre una gamma sempre crescente di funzionalità. Apple Watch Series 3 , ad esempio, include un accelerometro, giroscopio, sensore della frequenza cardiaca, microfono, altoparlante, altimetro barometrico, sensore di luce ambientale, Wi-Fi, Bluetooth, NFC, GPS e telefono LTE opzionale. Tante funzionalità che richiedono anche una gestione efficiente del consumo energetico.

Introduzione

Sottile, piccolo e leggero: questi sono i requisiti fisici dei dispositivi indossabili e il motivo per cui il vincolo principale nella relativa tecnologia di oggi è la durata della batteria. Le batterie convenzionali che si adattano alla tecnologia indossabile, come le celle agli ioni di litio (Li-ion), possono andare bene per sensori e altri dispositivi indossabili a bassissima potenza, ma faticano a tenere il passo con le richieste di wearable più capaci come le bande fitness e gli smartwatch. La maggior parte degli smartwatch attualmente disponibili ha una durata della batteria misurata in giorni.

Le tante funzionalità richieste in un dispositivo Wearable comportano un maggiore consumo di energia. La tendenza continua verso package più piccoli e più sottili, richiedono a sua volta una stima essenziale per i sistemi power management. In questo caso, è opportuno analizzare lo spazio assegnato per la batteria. Gli smartphone di generazione attuale non consentono più all'utente di sostituire la batteria quando le sue prestazioni iniziano a peggiorare. C'è anche meno spazio disponibile per una batteria indossabile. Uno smartwatch o una fascia fitness ha spesso uno spazio solo per una batteria Li-Ion a cella singola con una tensione di 3,8 V e una capacità compresa tra 130 e 410 mAh.  Non sorprende quindi, che una batteria più piccola ha una minore capacità. Di conseguenza, uno dei reclami più comuni da parte degli acquirenti di dispositivi indossabili è la durata della batteria. L'energia raccolta dal corpo come calore o dal relativo movimento, oppure quella dall'ambiente come la luce ambientale produce solo potenze nel range di microwatt e milliwatt - non abbastanza per alimentare qualcosa come uno smartwatch. Molti dispositivi hanno il compito di trasportare segnali dai 300 ai 400 millivolt forniti dai raccoglitori di energia, e aumentarli fino a 3 o 5 volt, il che è sufficiente per caricare una batteria. Ora, questo non produrrebbe abbastanza carica per alimentare uno smartwatch, ma potrebbe prolungare il tempo di esecuzione.

Un approccio a livello di sistema per una gestione energetica efficiente

La combinazione di un maggiore consumo energetico e una batteria più piccola costringe il progettista a cercare il risparmio energetico in ogni occasione. Un approccio efficace a livello di sistema consiste nel dividere i blocchi funzionali, raggrupparli in domini di potenza in base alle loro esigenze comuni e quindi formulare l'approccio migliore per ciascun dominio al fine di massimizzare l'uso efficiente dell'energia (Figura 1). Ad esempio, alcuni domini possono essere completamente disattivati ​​quando non sono in uso. Gli esempi includono le radio e le funzioni ad alto duty cycle che non dipendono dal tempo.  Altri domini richiedono una bassa potenza in modalità standby, ma devono anche essere in grado di rispondere rapidamente. Gli esempi includono microcontrollori e sensori che trascorrono la maggior parte del tempo in modalità sleep, ma si svegliano per eseguire funzioni programmate o rispondere agli input dell'utente.  Un altro dominio potrebbe porre l'accento sull'alta efficienza a pieno carico.

Figura 1: Una tipica architettura indossabile può essere segmentata in più blocchi (domini) in base ai relativi profili di potenza dei sottosistemi. Il design più efficiente ottimizza la strategia di alimentazione per ciascun blocco.

 

Blocchi del sistema di gestione della batteria

Passando al sistema di gestione della batteria (BMS), la tecnologia Li-ion è la soluzione chimica adatta per le piccole batterie ricaricabili. Ha molti vantaggi rispetto ai suoi concorrenti, ma le batterie agli ioni di litio soffrono quando si introduce il concetto di SOA. Una Safe Operating Area (SOA) è un'area di sicurezza entro la quale il pacco batteria, e quindi [...]

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2 Commenti

  1. Stefano Lovati Stefano Lovati 9 gennaio 2018
  2. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 11 gennaio 2018

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