Wearable-Batterien

Nonstop Power für das Fitnessstudio to Go

22. Januar 2021, 10:00 Uhr   |  Fabian Hirsch, Andreas Warta (Varta Microbattery)

Nonstop Power für das Fitnessstudio to Go
© Varta

Haben die Energieversorgung für das neue Fitnessband in enger Zusammenarbeit mit dem Hersteller auf den Weg gebracht: Fabian Hirsch (li.) und Andreas Warta (re.)

Varta unterstützte Straffr bei der Entwicklung eines smarten Fitnessbands

Nutzer wünschen sich immer kleinere und handlichere Geräte. Diesem Miniaturisierungstrend muss sich auch deren Energieversorgung anpassen. Inzwischen gelingt es Batterieherstellern, mehr Energie auf kleinstem Raum bereitzustellen. Deshalb gibt es heute Applikationen, die noch vor einigen Jahren nicht denkbar gewesen wären. Eines der jüngsten Beispiele kommt aus der Welt der tragbaren Fitnessgeräte. Straffr heißt das neue Trainingsband, das ein gezieltes Training überall und jederzeit möglich macht. Entwickelt wurde das aus langlebigem medizinischem Silikon bestehende Band von dem gleichnamigen Start up-Unternehmen aus Kassel. Die Technologie haben die drei Erfinder zum Patent angemeldet. Eine passende App bietet über 50, von Physiotherapeuten und Personal-Trainern zusammengestellte, Übungen. Es werden Kraft, Geschwindigkeit und Wiederholungen während des Trainings aufgezeichnet, um Echtzeit-Feedback und Trainings-Analysen bereitzustellen.  

Eine wesentliche Rolle für den Erfolg neuer Applikationen, die dem Trend zur Miniaturisierung folgen, spielt die Wahl der passenden Energieversorgung mit Batterien. Da diese bei derartigen Anwendungen ein entscheidendes Bauteil ist, bestimmt sie wesentlich das Design, die Funktionalität und die Größe der Elektronikkomponente des  Endproduktes. Hier hat die Entwicklung kleiner und robuster Lithium-Ionen Zellen den Weg für neue Anwendungsmöglichkeiten in unterschiedlichen Bereichen der Elektrotechnik und im Speziellen in der Fitness- und Medizintechnik bereitet. Dafür sorgen hocheffiziente Batterien, die auf kleinstem Raum die größtmögliche Energiedichte und Kapazität bereitstellen.

Die Straffr-Macher haben sich entschieden, auf der Suche nach der passenden Energielösung mit Varta zusammenzuarbeiten. Zunächst galt es, gemeinsam die Spezifikationen der Batterien zu erarbeiten und dabei viele unterschiedliche Aspekte zu berücksichtigen. Darunter fallen Fragen nach dem maximal verfügbaren Raum für die Batterie, der zu erwartenden Lebensdauer des Produktes, dem Strombedarf der Anwendung sowie nach deren Pulsströmen und dem Temperaturbereich, in dem die Anwendung arbeitet. Darüber galt es, zu beantworten, wie die Zelle technisch und mechanisch in das Produkt integriert werden kann.

Knopfzellen für mehr Design-Freiheit

Die Ansprüche an die innere und äußere Belastbarkeit des Fitnessbandes sind hoch, denn es ist starken Umweltfaktoren – insbesondere Erschütterungen und Vibrationen – ausgesetzt. Um diese hohen Anforderungen zu erfüllen, braucht es eine robuste Batterie. Das leisten beispielsweise Zellen in einem Edelstahlgehäuse mit rundem Formfaktor und Temperaturbeständigkeit auch bei niedrigen und negativen Temperaturen. Daher fiel die Wahl auf Zellen aus der CoinPower-Serie. Varta setzt auf standardisierte Zellgrößen, die kundespezifisch angepasst werden können, was sich in der Assemblierung der Zellen zeigt. Aus diesem Grund stehen vielfältige Integrationsmöglichkeiten bereit, die gemeinsam mit dem Kunden entwickelt werden. Dies bietet dem jeweiligen Entwickler große Designfreiheit mit einer standardisierten Zelle, die in ihrem Formfaktor noch in vielen Jahren verfügbar ist. 

Ein zentraler Punkt bei der Entwicklung von neuen Anwendungen wie dem Fitnessband ist die Integration der Batterie in das Endprodukt.
© Varta

Ein zentraler Punkt bei der Entwicklung von neuen Anwendungen wie dem Fitnessband ist die Integration der Batterie in das Endprodukt.

So haben die beiden Unternehmen die Straffr-Batterie speziell auf die Anforderungen des Sporteinsatzes zugeschnitten. Dazu erstellte Varta zunächst eine vorläufige Zeichnung, um diese anschließend mit dem Start-up zu diskutieren. Im nächsten Schritt entstand ein 3D-Modell. Das Ergebnis der Zusammenarbeit ist ein genau zu dem Fitnessband passendes Batteriedesign. Für die Integration der Batterie wurde in diesem Projekt eine SMD-Kontaktierung gewählt, die mechanisch auf das Design des Kunden abgestimmt ist. Die dafür angefertigten Ableiter/Tags werden in den Produktionsstandorten direkt auf die Zellen geschweißt (spezielles Schweißverfahren) und ready to use inklusive aller benötigten Tests und Zulassungen an den Kunden versendet. Mit diesem Konzept ließ sich ein insgesamt schlankes und funktionales Design erreichen.

Zelldesign bringt hohe Energiedichte 

Der geringe Platzbedarf der Zelle bei gleichzeitig hoher Energiedichte resultiert aus dem speziellen Zelldesign. Das Gehäuse besteht aus Edelstahl, was der Zelle eine hohe mechanische Stabilität verleiht – sowohl bei der Montage im Endprodukt als auch bei der Verwendung des Produkts durch den Kunden. Im Inneren der Zelle sind Anode, Kathode und Separator zu einer Spule gewickelt. Die Kontaktierung der Elektroden mit dem Gehäuse erfolgt durch ein spezielles Schweißverfahren an Deckel und Becher. Das Design des Gehäuses in Verbindung mit seinem patentierten Dichtungsdesign sorgt für die effiziente Nutzung des Volumens innerhalb der Zelle. Aus diesem Grund ist die Energiedichte der verwendeten Batterien eine der höchsten aller Zellen in diesem Formfaktor. 

Das Fitnessband bezieht seine Energie nun von der Zelle CP1254 aus der CoinPower-Serie. Sie besitzt spezielle Features, die wichtig für genau diese Art der Anwendung sind. Die Konstruktion der Zelle sorgt für eine hohe Toleranz gegenüber Stößen und Vibration. Ebenfalls durch die Konstruktion der Zelle bedingt, weisen die Zellen der CoinPower-Serie kein Swelling über die gesamte Lebensdauer der Batterie auf. 

Ausgelegt ist die Batterie für Rapid Charging. Das heißt, sie ist in 15 Minuten zu 50 Prozent aufgeladen. Die Zelle ermöglicht dem Anwender über 21 Stunden aktives Training mit nur einer Aufladung und ist aufgrund der hohen Leistungsdichte trotzdem extrem leicht. Wird es nicht verwendet, geht das Band automatisch in den Schlafmodus. 

Ein weiterer wichtiger Aspekt für die Gesamtlebensdauer des Sportbandes ist die Zyklenfestigkeit der Batterie. Sie definiert die verbleibende verfügbare Kapazität nach mehreren Hundert  vollständigen Ladungen und Entladungen. Die verbleibende Kapazität der Serie, nach 500 (0,5C/0,5C) Vollzyklen wird mit mehr als 80 Prozent spezifiziert. In Verbindung mit der Zyklenfestigkeit, ist die Energiedichte entscheidend für die Auswahl einer Energieversorgung. Die Energiedichte (Wh/l) definiert das Verhältnis von Zellvolumen zur verfügbaren Energie (Wh) der Zelle. Je höher die Energiedichte bei gleichen Abmessungen der Zelle, desto länger wird die Nutzungsdauer bis zur nächsten benötigten Ladung. Diese beiden Faktoren, eine hohe Energiedichte und eine hohe Zyklenfestigkeit sind wichtige Eigenschaften für neue mobile Anwendungen. Die CoinPower-Serie umfasst einen Kapazitätsbereich von 16 mAh bis 120mAh, bei einem Durchmesser von 7,8mm bis 16,1mm, was viele verschiedene Möglichkeiten für die nächste Generation von Fitness Anwendungen eröffnet. 

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